12.4. Гидрогеология складчатых областей
Для территории складчатых областей характерны резкие изменения рельефа, геолого-структурных условий и типа водовмещающих пород, проявляющиеся на относительно коротких расстояниях.
В связи с этим характеристика условий распространения и формирования подземных вод в пределах складчатой области в целом (как типа гидрогеологического района) чрезвычайно затруднительна. Более правильно рассматривать эти условия применительно к структурно-гидрогеологическим районам II порядка, в качестве которых рассматриваются собственно гидрогеологические массивы, артезианские бассейны межгорного типа, адмассивы, адбассейны и вулканогенные массивы (Н.И. Толстихин, И.К. Зайцев и др.).
Гидрогеологические условия массивов кристаллических пород, выделяемых в качестве районов II порядка в пределах складчатых областей, в целом аналогичны рассмотренным выше. Здесь также преимущественное распространение имеют трещинные грунтовые воды верхней зоны и трещинно-жильные зон тектонических нарушений. Сведения о глубинной гидрогеологии этих массивов в настоящее время практически отсутствуют. Некоторые особенности условий формирования трещинных вод определяются тем, что в центральных частях складчатых областей массивы кристаллических пород нередко являются районами со среднегорным и высокогорным рельефом. В связи с этим для них характерен резко расчлененный рельеф, отсутствие рыхлых отложений, заметные проявления высотной климатической поясности, относительно более глубокое залегание уровня или отсутствие горизонта трещинно-грунтовых вод на глубоко дренированных вершинах и др.
12.4.1. Артезианские бассейны межгорного типа
К данному типу относятся бассейны, связанные с межгорными и внутригорными впадинами горно-складчатых областей. Иногда используется более общее понятие «орогенные бассейны», объединяющее все виды артезианских бассейнов горно-складчатых областей (Зайцев, 1986), устаревшее название «геосинклинальные бассейны» и др. Типичные бассейны межгорного типа характерны главным образом для молодых мезокайнозойских складчатых областей и, как исключение, для складчатых областей палеозойского возраста.
Основными особенностями природных условий, геологического строения и истории развития типичных бассейнов межгорного типа, в значительной мере определяющими строение гидрогеологического разреза и условия формирования подземных вод, являются:
наличие межгорной депрессии (тектонической впадины) относительно ограниченных размеров – до сотен, в ряде случаев тысяч квадратных километров;
равнинный, холмисто-равнинный рельеф поверхности с заметным увеличением отметок и расчлененности рельефа в краевых (предгорных) частях впадины и резко выраженный средне- или высокогорный рельеф в пределах ее складчатого обрамления;
наличие в разрезе бассейна двух структурно-тектонических этажей: чехла, сложенного рыхлыми аллювиально-пролювиальными, озерно-аллювиальными и другими континентальными осадками, мощность которых в центральной части впадины достигает 400–600 м (реже более), и сложно построенного фундамента, представленного кристаллическими породами, интенсивно дислоцированными и литифицированными («складчатыми») осадочными толщами и др.;
формирование осадочного чехла впадины в течение одного цикла осадконакопления в условиях близко расположенных областей сноса обломочного материала с резко расчлененным горным рельефом, что определяет в целом слабую отсортированность обломочного материала и наличие преимущественно крупно- и грубообломочных образований (пески, галечники и др.) в основании разреза осадочного чехла и в краевых частях впадины и преимущественно тонкодисперсных (глины, суглинки), формирующихся на заключительной стадии цикла осадконакопления (верхняя часть разреза) в центральных районах впадины. Фактически при этих условиях осадочный чехол межгорного артезианского бассейна может рассматриваться в качестве единого водоносного комплекса, строение которого определяет практическое отсутствие выдержанных водоносных горизонтов (рис. 29).
Строение гидрогеологического разреза осадочного чехла бассейна, типичное для межгорных впадин и «конусов выноса» предгорных равнин, позволяет выделить в бассейне в направлении от периферии к его центральной части четыре характерные гидродинамические области (П.Г. Григоренко, O.K. Ланге, М.А. Шмидт и др.) с определенными особенностями формирования подземных вод. Крайняя периферийная область бассейна (I), приуроченная к относительно приподнятым участкам предгорной равнины, рассматривается как область питания или формирования потока подземных вод. Благоприятные в целом условия питания определяются здесь преобладанием в разрезе крупно- и грубообломочных высокопроницаемых (до 50–100 м/сут и более) отложений и относительно глубоким (до 50–80 м и более) залеганием уровня грунтовых вод. В этих условиях, как правило, основным источником питания грунтовых вод является поглощение поверхностных вод из временных и постоянных водотоков, поступающих из соседней горно-складчатой области, которые в связи с особенностями рельефа и строением гидрогеологического разреза являются «подвешенными» по отношению к уровню грунтовых вод. Величины поглощения руслового стока нередко достигают 50–100 л/с на 1 км русла и более, а в общем балансе бассейна этот источник питания составляет 50–60% и более. Дополнительное питание подземных вод формируется за счет местной инфильтрации атмосферных осадков, антропогенных источников питания (орошение) и за счет подземного притока через породы горного обрамления: трещинно-грунтовых вод верхней зоны и трещинных вод зон тектонических нарушений и зон интенсивной закарстованности (рис. 29).
Рис. 29. Типовой гидрогеологический разрез артезианского бассейна межгорного типа: 1 – грубообломочные отложения (галечники, гравийно-песчаные и др.); 2 – преимущественно пески; 3 – глины и суглинки; 4 – породы обрамления и фундамента; 5 – зоны тектонических нарушений; 6 – уровень грунтовых вод; 7 – источники; 8 – направления движения подземных вод; 9 – границы и номера гидродинамических зон (областей) бассейна; 10 – скважины, стрелки величина напора подземных вод (В.А. Всеволожский, 2007)
Во второй области (II) поток грунтовых вод, поступающий из периферийной зоны, «расчленяется» слабопроницаемыми слоями на систему невыдержанных водоносных слоев, содержащих напорные подземные воды типа межпластовых. Характер гидравлической связи водоносных слоев между собой и с грунтовыми водами бассейна в зависимости от строения гидрогеологического разреза может существенно изменяться на коротких расстояниях. В связи с относительно неглубоким (до 10–15 м, реже более) залеганием уровня грунтовых вод в пределах речных долин и эрозионных понижений другого типа формируется интенсивная разгрузка грунтовых вод. Разгрузка осуществляется как через русловые отложения, так и в виде открытых выходов (родники), дебиты которых в ряде случаев достигают десятков, сотен литров в 1 с и даже п • м3/с (в связи с достаточно высокой проницаемостью водовмещающих пород). Распределение напоров в «межпластовых» горизонтах (увеличение напоров с увеличением глубины залегания слоя) свидетельствует о том, что в пределах второй зоны происходит также интенсивная разгрузка напорных вод (в вышележащие горизонты и далее в грунтовые воды). В соответствии с этим вторая область бассейна рассматривается как зона частичной разгрузки и формирования напорных подземных вод.
Для третьей зоны бассейна (III) в общем случае характерно распространение в верхней части гидрогеологического разреза относительно выдержанных и значительных по мощности (до 50–60 м и более) слабопроницаемых отложений (глины, суглинки и др.). Наличие слабопроницаемых пластов затрудняет (в сравнении со второй зоной) условия взаимодействия грунтовых и напорных межпластовых вод нижней части разреза бассейна, в связи с чем третья зона бассейна может рассматриваться как зона слабого взаимодействия грунтовых и напорных подземных вод, или как зона транзита («транзитного» стока напорных подземных вод).
Четвертая зона (IV) в гидродинамической структуре бассейна является региональной областью разгрузки подземных вод, формирование которой определяется наличием крупной (наиболее глубоко врезанной) речной долины, озерной котловины, бессточных солончаковых понижений с интенсивным испарением грунтовых вод и др. В некоторых случаях разгрузка подземных вод осуществляется также подземным стоком в соседний (гипсометрически нижерасположенный) межгорный бассейн или в смежный структурно-гидрогеологический район другого типа и т.д.
Формирование минерализации и химического состава подземных вод межгорных артезианских бассейнов определяется главным образом их гидродинамическими особенностями (близкое расположение областей питания и разгрузки подземных вод, значительные скорости фильтрации, отсутствие участков с резко затрудненным водообменом и т.д.) и практическим отсутствием в аллювиально-пролювиальных и других континентальных отложениях относительно легкорастворимых соединений. В связи с этим в разрезе бассейна на всю мощность рыхлых отложений распространены обычно маломинерализованные (менее 1,0 г/л, в области питания чаще до 0,2–0,3 г/л) подземные воды гидрокарбонатного кальциевого (кальциево-натриевого и др.) состава. Наличие вод с более высокой минерализацией может быть связано только с участками восходящей разгрузки трещинных подземных вод из пород фундамента, с процессами испарения и континентального засоления грунтовых вод или их антропогенным загрязнением.
Рассмотренные выше условия формирования и типы подземных вод характерны главным образом для относительно некрупных впадин с ограниченной мощностью рыхлых осадочных отложений.
Межгорные артезианские бассейны, приуроченные к крупным (десятки тысяч квадратных километров и более) впадинам со значительной (до 3 км и более) мощностью осадочного чехла (Кура-Араксинский, Рионский, Ферганский, Нижнезейский и др.), имеют условия формирования подземных вод, резко отличные от рассмотренных выше. По мнению И.К. Зайцева (1986), они являются «нетипичными» межгорными бассейнами, поскольку по общим гидрогеологическим закономерностям близки к артезианским бассейнам платформ.
При гидрогеологическом районировании складчатых областей из-за большого разнообразия гидрогеологических условий наряду с типичными (межгорными) бассейнами и массивами производится также выделение гидрогеологических районов переходного (промежуточного) типа, которые в связи с особенностями главным образом геологического строения и истории развития имеют определенные признаки (черты), характерные и для одного и для другого типа гидрогеологических районов. К подобным районам «переходного» типа относятся адартезианские бассейны и гидрогеологические адмассивы.
К адартезианским бассейнам относят гидрогеодинамические системы (части систем), связанные с отрицательными структурами складчатых областей (синклинории, мульды, крупные синклинальные складки, межгорные депрессии и др.), выполненными слоистыми толщами осадочных отложений. В этом смысле адартезианские бассейны похожи на типичные бассейны платформенного или межгорного типа. Однако в отличие от них осадочные толщи адартезианских бассейнов характеризуются сильной степенью литификации и интенсивной дислоцированностью. В связи с этим первичная седиментогенная пористость (проницаемость) таких пород оказывается в значительной степени «подавленной» процессами уплотнения и цементации порового пространства, и обводненность горных пород (условия залегания, типы подземных вод и др.) связана здесь главным образом с развитием трещиноватости различных генетических типов. Именно по этому показателю адартезианские бассейны больше напоминают гидрогеологические массивы.
Примерами гидрогеологических районов этого типа являются Минусинский и Кузбасский бассейны Алтае-Саянской складчатой области, Залаирский бассейн Западно-Уральской зоны складчатости и др.
Основными типами подземных вод являются трещинные, трещинно-карстовые, трещинно-жильные и пластово-трещинные. К ним относятся: грунтовые трещинные воды зоны экзогенной трещиноватости (закарстованности); линейно-локальные потоки трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений и напорные трещинные воды зон региональной (в пределах всего массива) и локальной трещиноватости. Наличие и условия формирования различных типов подземных вод определяются главным образом слоистостью разреза и изменением типа горных пород (от слоя к слою).
К гидрогеологическим адмассивам относят преимущественно антиклинальные структуры, сложенные слоистыми толщами сильно литифицированных и интенсивно дислоцированных осадочных пород, которым в современном рельефе соответствуют возвышенности с интенсивно расчлененным, преимущественно горным рельефом.
В гидрогеологических адмассивах со средне- и высокогорным рельефом распространены главным образом грунтовые воды верхней зоны экзогенной трещиноватости (закарстованности) горных пород и трещинно-жильные воды зон тектонических нарушений, что характерно для гидрогеологических массивов. Однако слоистое строение разреза с наличием осадочных пород разного состава определяет ряд специфических особенностей формирования подземных вод, принципиально отличающих адмассив от типичного гидрогеологического массива. Слоистое строение разреза определяет неравномерное «послойное» развитие экзогенной трещиноватости, что резко нарушает общую для массивов закономерность уменьшения проницаемости горных пород с глубиной (особенно при наличии слоев карстующихся пород). Слои осадочных пород разного состава могут иметь различный минералого-геохимический комплекс (слои карбонатных пород, гипс-ангидритовых, засоленных), что определяет «послойное» изменение минерализации и химического состава подземных вод. На участках с относительно слабой дислоцированностью слоистого разреза, в основном на периферии массивов и на участках с пониженным слаборасчлененным рельефом, возможно формирование напорных трещинных и трещинно-карстовых вод типа межпластовых, наличие которых не характерно для типичных массивов.
Гидрогеологические условия адмассивов определяют возможность формирования значительно более мощной, чем в адбассейнах (предположительно, до глубин в несколько километров), зоны пресных подземных вод. Состав вод преимущественно гидрокарбонатный, при наличии загипсованных пород – сульфатный кальциевый.