12.3. Артезианские бассейны платформенного типа
Исходя из геологической и гидрогеологической сущности объекта под артезианским бассейном следует понимать единую геогидродинамическую систему (часть системы), пространственно связанную со структурно-тектоническим элементом, верхний этаж (этажи) которого представлен толщами пологозалегающих или слабодислоцированных преимущественно осадочных пород, содержащих межпластовые подземные воды.
Порядок артезианских бассейнов при их соподчинении определяется порядком геогидродинамической системы и порядком тектонической структуры. Тип бассейна – типом структуры, так как именно тип тектонической структуры определяет не только размеры бассейна (А.М. Овчинников), но и геологическое строение его разреза, что обусловливает существенно различные условия формирования артезианских вод в бассейнах разного типа.
Под артезианскими бассейнами платформенного типа следует понимать бассейны, связанные с отрицательными структурами платформ (плиты, синеклизы), предгорными прогибами и краевыми синеклизами. Выделение в качестве единого типа бассейнов, связанных в данном случае со структурами различного типа, оправдано рядом общих закономерностей строения геологического разреза, определяющих основные условия залегания и региональную динамику подземных вод (рис. 27).
Структура и строение артезианских бассейнов. Артезианские бассейны являются основными структурно-гидрогеологическими элементами континентальных платформ, занимая практически все площади сплошного распространения отложений осадочного чехла. На периферии платформ площади со сплошным распространением отложений осадочного чехла выходят за пределы собственно платформы в область передовых прогибов смежной геосинклинальной системы.
Рис. 27. Принципиальная гидродинамическая схема артезианского бассейна платформенного типа: 1 – слоистые системы водоносных горизонтов (комплексов) трех гидрогеологических этажей бассейна; 2 – региональные слабопроницаемые толщи; 3 – номера гидрогеологических этажей; 4 – границы и номера гидродинамических зон; 5 – зоны тектонических нарушений; 6 – система «местных» и 7 – региональных потоков подземных вод; 8 – субвертикальная фильтрация через слабопроницаемые породы; 9 – «внутренние» источники питания подземных вод (элизионные процессы, дегидратация, приток глубинных флюидов); 10 – породы обрамления и фундамента (В.А. Всеволожский, 2007)
Kак следует из определения, основной особенностью строения разреза артезианского бассейна является наличие слоистых толщ слабодислоцированных, преимущественно осадочных (реже вулканогенно-осадочных и вулканогенных) пород различного генезиса и состава. В связи с этим разрез бассейна всегда представляет собой многократное чередование стратифицированных гидрогеологических элементов, в качестве которых рассматриваются водоносные слои, горизонты, комплексы, реже водоносные серии, а также относительно слабопроницаемые водоупорные слои, пласты и толщи горных пород.
Кроме выделения собственно водоносных элементов (горизонт, комплекс и др.) при расчленении разреза бассейна во многих случаях наиболее важным является определение положения регионально распространенных и относительно выдержанных слабопроницаемых (водоупорных) разделов, изолирующих смежные элементы гидрогеологического разреза. Именно наличие таких разделов является причиной, а фиксируемые различия пьезометрических напоров, состава и минерализации подземных вод и т.д. – следствием гидродинамической разобщенности смежных водоносных элементов гидрогеологического разреза.
В разрезе осадочных отложений артезианских структур платформенного типа практически отсутствуют сколько-нибудь широко выдержанные по площади слои и толщи абсолютно непроницаемых горных пород. По имеющимся представлениям (А.И. Силин-Бекчурин, Д.С. Соколов, Е.В. Пиннекер и др.), в качестве абсолютно непроницаемых сред могут рассматриваться только соляные пласты, в которых благодаря их пластичности при высоких давлениях отсутствуют условия для сохранения пористости и открытой трещиноватости. Однако и здесь относительная проницаемость может быть связана с зонами фациального замещения солей или с тектоническими разрывами соляных пластов. Все типы геофильтрационных сред осадочного чехла при определенном строении и условиях залегания (уплотнение, цементация) могут рассматриваться как слабопроницаемые.
При гидрогеологическом расчленении разреза бассейна в целом наиболее важным является выделение мощных регионально распространенных слабопроницаемых разделов (толщ), положение которых определяет выделение наиболее крупных стратификационных элементов разреза, называемых гидрогеологическими этажами.
Основным показателем выделения гидрогеологического этажа является единство процессов региональной гидродинамики подземных вод в системе относительно изолированных водоносных горизонтов и комплексов, объединяемых в гидрогеологический этаж. В качестве общего показателя, определяющего региональную динамику подземных вод этажа, рассматриваются характер и степень связи подземных вод с современной поверхностью, являющейся верхней гидравлической границей бассейна. В качестве границ смежных гидрогеологических этажей – положение региональных слабопроницаемых «разделов», определяющих различную степень изоляции интервалов разреза от поверхности бассейна. В этом случае при любой мощности и строении разреза чехла в артезианском бассейне может быть выделено не более четырех гидрогеологических этажей, характеризующихся определенными различиями региональной динамики подземных вод.
Первый структурно-гидрогеологический этаж (ярус) бассейна выделяется в той части разреза, в пределах которой гидравлическая связь с современной поверхностью бассейна на всей площади распространения соответствующих водоносных горизонтов (комплексов) является основным фактором, определяющим структуру потоков подземных вод.
Влияние верхней гидродинамической границы обусловливает формирование «местных» потоков подземных вод, тесно связанных с современным рельефом территории.
Нижней границей этажа является стратиграфическая граница, соответствующая положению кровли первой от поверхности регионально выдержанной слабопроницаемой толщи бассейна. Общая мощность первого этажа в зависимости от строения гидрогеологического разреза изменяется обычно в пределах 200–500 м, реже более.
Питание межпластовых подземных вод осуществляется непосредственно за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках открытых выходов пластов на поверхность (структурные выходы, склоны междуречий, высокие террасы крупных речных долин и др.), а также за счет нисходящей фильтрации из вышележащих горизонтов разреза (фильтрация по гидрогеологическим окнам в слабопроницаемых пластах и перетекание). Разгрузка межпластовых вод осуществляется преимущественно при восходящей фильтрации в грунтовый водоносный горизонт и через него в гидрографическую сеть территории (речные долины, озерные котловины, заболоченные низменности и др.). Положение областей питания на возвышенных участках территорий и разгрузки (в понижениях рельефа) определяет общую схему формирования местных потоков первого гидрогеологического этажа бассейна.
Формирование химического состава межпластовых вод первого гидрогеологического этажа определяется главным образом процессами выщелачивания и смешения. В отложениях первого этажа формируются преимущественно пресные (менее 1 г/л) подземные воды гидрокарбонатного или сульфатно-гидрокарбонатного состава.
Второй структурно-гидрогеологический этаж объединяет водоносные комплексы разреза, подземные воды которых имеют гидравлическую связь с современной поверхностью только на периферии структуры и сводах локальных поднятий внутренней области, а на большей части бассейна изолированы от поверхности регионально выдержанными слабопроницаемыми породами значительной мощности.
Подобный характер связи с верхней гидравлической границей бассейна обусловливает формирование наряду с местным движением (краевая зона) общеструктурных региональных потоков подземных вод.
В пределах периферии собственно бассейна (внутренняя область питания) питание межпластовых вод осуществляется инфильтрацией атмосферных осадков в местах выхода пластов на поверхность и нисходящей фильтрацией через разделяющие слабопроницаемые породы. Питание со стороны выхода пород фундамента на поверхность или со склонов складчатого обрамления бассейна формируется за счет притока трещинно-грунтовых вод, трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений, зон интенсивной закарстованности и др. В соответствии с этим склоны обрамления рассматриваются в качестве внешней области питания артезианских вод (рис. 28).
Часть подземных вод, формирующихся в пределах внешней и внутренней областей питания, разгружается в местную гидрографическую сеть территории, а часть формирует так называемый «глубокий» артезианский сток. Региональные потоки глубоких артезианских вод направлены от краевых областей питания к центральным погруженным районам бассейна и далее к региональным областям разгрузки, в качестве которых обычно рассматриваются впадины современных морей и крупные внутриконтинентальные водоемы.
Основным процессом, определяющим состав и минерализацию подземных вод второго этажа, является процесс выщелачивания. В случае, когда питание осуществляется за счет «открытой» фильтрации на выходах водоносных пластов или за счет притока из внешней области, непосредственно в краевой части бассейна формируется, как правило, зона пресных (менее 1 г/л) гидрокарбонатных вод, мощность которой может достигать 600-800 м и более. На участках, где питание межпластовых вод второго этажа формируется за счет затрудненной нисходящей фильтрации через слабопроницаемые породы с относительно низкими удельными расходами, существенную роль в формировании состава и минерализации межпластовых вод играют процессы выщелачивания «водоупоров». При наличии в слабопроницаемых породах легкорастворимых соединений (морские глинистые породы, гипс-ангидритовые или засоленные толщи) непосредственно под ними в пределах краевой области питания возможно формирование сульфатно-хлоридных и хлоридныхвод с минерализацией до 10-15 г/л и более.
Рис. 28. Принципиальная схема формирования потоков подземных вод в краевой части артезианского бассейна платформенного типа: 1 – системы межпластовых горизонтов I и II гидрогеологических этажей бассейна; 2 – слабопроницаемые разделяющие толщи; 3 – породы обрамления и фундамента; 4 – направления движения подземных вод I этажа; 5 – трещинных вод обрамления; 6 – II гидрогеологического этажа; 7 – направления затрудненной субвертикальной фильтрации через слабопроницаемые породы; 8 – границы и номера гидрогеологических этажей; 9 – границы и номера гидродинамических зон
Одним из факторов, определяющим состав и минерализацию межпластовых вод, является вертикальная восходящая разгрузка напорных вод, с чем связано поступление более глубоких и более минерализованных подземных вод, а также появление в водоносных горизонтах специфического состава микрокомпонентов (I, B, Br) и газов глубинного происхождения (CO2, He, H2S и др.) вплоть до формирования гидрогеохимических и гидрогеотермических аномалий на участках интенсивной восходящей разгрузки напорных вод.
Третий структурно-гидрогеологический этаж чехла включает водоносные горизонты и комплексы, не имеющие гидравлической связи с современной поверхностью бассейна. Верхней границей этажа является стратиграфическая граница, соответствующая положению кровли регионально выдержанной слабопроницаемой толщи, которая относительно изолирует его от вышележащих интервалов разреза, имеющих гидравлическую связь с поверхностью бассейна. Отсутствие открытой связи с поверхностью на всей площади распространения отложений нижнего этажа приводит к тому, что основным фактором формирования подземного стока является здесь затрудненная связь с подземными водами верхних этажей и пород фундамента, осуществляющаяся по локальным зонам с повышенной вертикальной проницаемостью разреза, а также перераспределение пластовых давлений под воздействием различных эндогенных процессов.
Водоносные горизонты третьего гидрогеологического этажа, как правило, содержат высокоминерализованные воды и рассолы хлоридно-натриевого состава, минерализация которых для различных бассейнов изменяется от 20 до 300-400 г/л и более.
В качестве четвертого структурно-гидрогеологического этажа бассейна условно может рассматриваться фундамент артезианской структуры, выделяемой на основе резкого различия строения и свойств геофильтрационной среды.