Источник: http://himvoda.ru
До настоящего времени среди многих исследователей гидрогеохимическая зональность известна как гидрохимическая. Это результат терминологической неточности, возникшей из–за того, что часто ошибочно раздел науки, изучающий химический состав подземных вод, именовали гидрохимией, а не гидрогеохимией. О гидрогеохимической зональности – закономерном изменении химического состава подземных вод в пространстве – к настоящему времени имеется обширная литература. Пространственное изменение химического состава подземных вод происходит в пределах водоносных комплексов по горизонтам и вертикали, в связи с чем исследователи различают горизонтальную и вертикальную гидрогеохимическую зональность. М. Е. Альтовский отметил: «Следует учитывать, что в гидрогеологии существуют два вида вертикальной зональности: одна наблюдается нами при бурении скважин, а другая – при падении водоносных пластов. Первую следовало бы называть вертикальной зональностью наслоения, а вторую – вертикальной пластовой или даже просто пластовой зональностью». И. К. Зайцев и Н. И. Толстихин (1972) выделили широтную (географическую) зональность подземных вод, к которой отнесли изменения в химическом составе грунтовых вод и вертикальную (геологическую) зональность подземных, к которой отнесли изменения в химическом составе пластовых вод.
По И. К. Зайцеву и Н. И. Толстихину (1972), широтная зональность подземных вод «проявляется в пределах СССР в последовательной смене вод зоны свободного водообмена разной минерализации и солевого состава от северных, более увлажненных широт к южным, более засушливым широтам». Широтная зональность И. К. Зайцевым и Н. И. Толстихиным связывается с изменением с севера на юг среднегодовых температур воздуха, с уменьшениём количества атмосферных осадков, с увеличением испарения. В результате увеличивается минерализация грунтовых вод, в них начинают преобладать Сульфаты и хлориды и воды становятся сульфатными, сульфатно–хлоридными, хлоридными, а по катионам – натриевыми. Большое значение смене климатических условий в формировании гидрохимической зональности почвенных и грунтовых вод придавалось почвоведами (Докучаев и др.). Многие исследователи (Ланге, 1947; Ильин, 1930; Гармонов, 1948 и др.) склонны считать, что имеются факторы, определяющие гидрогеохимическую зональность грунтовых вод – прежде всего климатические и геоморфологические. Б. Л. Личков отмечает также огромную роль растительного покрова. К. Е. Питьева (1969) придает большое значение в формировании гидрогеохимической зональности грунтовых вод гидродинамическим условиям. Из гидродинамических условий главные, по ее мнению, длины путей фильтрации и направление движения вод. С увеличением с севера на юг на Русской платформе длин путей фильтрации и с преобладающим движением вод в южном направлении изменяется ионный состав, вод и возрастает степень их минерализации. Изменение скорости фильтрации грунтовых вод накладывает определенный отпечаток на их химический состав, поскольку при одинаковой длине пути фильтрации обусловливают разное время взаимодействия с породами. Изменение скоростей фильтрации вызывает нарушение закономерного постепенного изменения химического состава грунтовых вод.
Гидродинамические факторы обусловливают главным образом изменения в степени минерализации грунтовых вод гумидных областей и менее значительно влияют на изменения в их ионном составе. Изменения в ионном составе вод, вызванные гидродинамическими факторами, постепенные и заключаются в изменении соотношений между ионами. При этом, как правило, тип воды сохраняется практически неизменным. Резкие изменения в ионном составе вод вызываются изменением литолого–геохимических свойств пород.
В аридных областях так же, как и в гумидных имеет место гидрогеохимическая зональность. Закономерное изменение состава грунтовых вод в аридных областях происходит от участков их питания речными водами и поверхностными водотоками с гор. Отсюда пресные, преимущественно гидрокарбонатные воды быстро становятся солеными сульфатными, а затем преимущественно рассольными хлоридными. Основная причина изменения состава вод – их взаимодействие с засоленными породами.
Изменение химического состава пластовых вод глубоких водоносных комплексов происходит по простиранию водоносных комплексов от областей выхода на поверхность в направлении погружения; Увеличивается степень минерализации вод и изменяется ионный состав. На перемещение вод по пласту влияют восходящие движения вод. Попадающие в пределы того или иного водоносного комплекса воды из более глубоких комплексов частично продолжают перетекать верх, а частично увлекаются потоком вод данного комплекса. Иногда под влиянием восходящих вод образуются аномальные гидрогеохимические участки. Как правило, подземные воды аномальных участков более минерализованы по сравнению с водами данного комплекса и содержат несколько иные ионы.
В вертикальном разрезе земной коры сверху вниз увеличивается степень минерализации вод и происходят изменения в их ионном составе. В схематичном виде гидрогеохимические изменения в пределах водоносного комплекса и по вертикальному разрезу представляют горизонтальную и вертикальную гидрогеохимическую зональность. Существующие теоретические положения по вопросу гидрогеохимической зональности представлены несколькими точками зрения. Одна из них сводится к влиянию магматических факторов на распределение в земной коре подземных вод различного состава; другая – к влиянию гидродинамических условий и глубин залегания; третья – к влиянию гравитационного и других полей земли и т. д.
Многие исследователи (Альтовский, 1950; Виноградов, 1967; Дерпгольц, 1962 и др.) признают участие магматических факторов в формировании гидрогеохимических условий земной коры. Особенно это относится к глубоким частям земной коры. Высокую степень минерализации глубоких подземных вод многие сторонники магматогенной гипотезы объясняют влиянием вещества глубин на состав вод, испарения и изменениями в составе вод под воздействием процессов кристаллизации. Действие этих процессов затухает в направлении к поверхности Земли и в этом же направлении в общих чертах уменьшается степень минерализации вод. Значительная обогащенность наиболее глубоких подземных вод хлором объясняется этими же причинами. Минерализация вод, кроме того, увеличивается, по мнению А. П. Виноградова, вследствие взаимодействия соляной кислоты (поступающей из глубин) с породами.
Первые положения о связи гидрогеохимической зональности с глубинами и с изменением подвижности подземных вод принадлежат В. И. Вернадскому, который указал на закономерную смену в земной коре пресных вод солеными, а соленых – рассольными. Он указал также на конкретные изменения в химическом составе подземных вод с глубиной (увеличение содержания кальция, уменьшение натрия; замену гидрокарбонатов и сульфатов хлором). Эти изменения в составе вод В. И. Вернадский связал также с уменьшением их скоростей движения. При этом им было отмечено, что в наиболее глубоких частях плоских синклиналей пластовые воды почти неподвижны.
На динамику подземных вод как на фактор, определяющий гидрогеохимическую зональность, в 30–е и 40–е годы указывалось во многих работах (Щеголев и Толстихин, 1939; Зайцев, 1940, 1945; Игнатович, 1948; Макаренко, 1948 и др.).
Особенно широко известны среди гидрогеологов представления И. К. Игнатовича о взаимосвязи динамики и химического состава подземных вод в вертикальном разрезе земной коры. Им выделено по признаку подвижности подземных вод три гидродинамические зоны (сверху вниз): а) активного водообмена; б) затрудненного подземного стока; в) застойного водного режима. В пределах первой (верхней) зоны формируются пресные гидрокарбонатные воды среди пород, из которых выщелочены хлориды и сульфаты. Вторая (средняя) зона медленного вымывания из пород ионно–солевого морского комплекса; воды этой зоны главным образом хлоридно–сульфатные. В третьей (нижней) зоне преобладает концентрирование солей и формируются хлоридные рассолы.
Ф. А. Макаренко так объясняет формирование в земной коре вод разного состава: «...высокая минерализация вод нижней зоны обусловливается слабой химической промытостью пород, высокими температурами, повышенными давлениями и длительной связью ее вод с горными породами химический режим зоны совершенно стабилен, а гидродинамический более стабилен относительно верхних зон».
М. С. Гуревич (1956) провел исследования взаимосвязи гидродинамических условий водоносных комплексов с химическим составом подземных вод, газовым режимом и распределением органики и пришел к выводу о существовании такого рода взаимосвязи.
И. К. Зайцевым гидрогеохимическая зональность рассматривалась в связи с составлением комплекса гидрохимических карт территории Союза и отдельных его регионов. В основу выделения зон при этом положена степень минерализации подземных вод; неучет ионного состава вод при выделении зон объясняется отсутствием достаточно определенных картировочных признаков.
При рассмотрении роли глубины залегания подземных вод на проявление гидрогеохимической зональности следует отметить, что соотношение между составом подземных вод и глубинами их залегания сложное. Закономерное изменение состава вод с глубиной проявляется только при относительной литолого–геохимической и фильтрационной однородности пород. В этом случае, как правило, увеличивается степень минерализации вод за счет возрастания ионов, свойственных конкретному гидрохимическому типу. Так, например, в гидрокарбонатных водах, приуроченных к терригенным полевошпатовым отложениям, с глубиной возрастает степень минерализации за счет увеличения содержания хлора и натрия. В хлоридных натриево–кальциевых водах, приуроченных к терригенным или карбонатным породам, увеличивается с глубиной степень минерализации вод за счет возрастания содержания хлора и кальция (состав воды изменяется от CINaK, CINaCa, CINaCa, CICaNa), В случае литолого–геохимической и фильтрационной неоднородности пород взаимосвязь между составом вод и глубиной залегания нарушается.
Так, например, смена сульфатных пород терригенными и карбонатными обусловливает переход сульфатных вод в хлоридные натриевые. Смена карбонатно–терригенных отложений галогенными, содержащими магниевые соли, определяет переход хлоридных натриевых вод в хлоридные магниевые и т. д. Иными словами, в случае литолого–геохимической неоднородности пород происходит независимо от глубины залегания резкое изменение в составе подземных вод. О слабой зависимости состава подземных вод от глубины их залегания свидетельствует, например, малая изменчивость с глубиной ионного состава пермских вод, приуроченных к однообразным породам: хлоридные натриевые воды, приуроченные к засоленным породам, при погружении с севера на юг практически не изменяют минерализации. Для палеозоя Северного Прикаспия отмечается своеобразие гидрогеохимических сред положительных структур, залегающих на различных глубинах, т. е. воды положительных структур, залегающих на различных глубинах, как правило, менее минерализованы относительно окружающих вод.
Так, например, в пределах Азовской антиклинальной зоны Западно–Кубанской впадины Предкавказья воды неогена, залегающие на глубинах 1500–2000 м, преимущественно в песчаных породах – гидрокарбонатные натриевые, а в пределах Калужской зоны на глубинах 1000–1200 м в глинистых породах – хлоридные натриевые с более высокой минерализацией. В гидрокарбонатных верхнемеловых и сульфатных альбских водах Западного Предкавказья закономерного поведения ионов с глубиной не наблюдается. Графики зависимости поведения степени минерализации и отдельных ионов нижнемеловых и верхнемеловых хлоридных натриевых и хлоридных натриево–кальциевых вод Предкавказья от глубины залегания показывают или отсутствие закономерных зависимостей, или слабое их проявление.
Слабая связь состава вод с глубинами их залегания подтверждается корреляционным анализом. Повышенные коэффициенты корреляции между 2М, ионами подземных вод и глубиной залегания единичны, встречаются в случаях приуроченности вод к относительно однородным породам.
Влияние гравитационного поля Земли на распределение подземных вод различного состава по вертикальному разрезу земной коры изучалось К. В. Филатовым, Д. С. Соколовым и О. Я. Самойловым (1957). Исходя из их построений главными факторами, определяющими гидрогеохимическую дифференциацию в земной коре, являются физические и химические свойства элементов и гравитационное поле Земли.
Гравитационное поле Земли является силой, определяющей стремление элементов, ионов занять наиболее низкое положение. Физические и химические свойства элементов обусловливают порядок расположения элементов в вертикальном разрезе земной коры относительно друг друга. Исследования К. В. Филатова, Д. С. Соколова и О. Я. Самойлова показали, что сверху вниз в подземных водах под влиянием гравитационного поля Земли должны иметь преимущественное распространение гидрокарбонат–ион, сульфат–ион, хлор, что в общих чертах соответствует действительному расположению анионов в подземных водах.
Гидрогеохимическая закономерность, заключающаяся в смене гидрокарбонатных вод сульфатными, затем хлоридными, существует не бесконечно. Причина ограниченности в том, что однообразная гидрогеохимическая среда и однотипность смены вод одного состава водами другого состава существуют только в тех площадных и временных пределах, которые обусловливаются соответствующими природными факторами. При смене природных условий возникает новая, свойственная им гидрогеохимическая среда с новыми закономерностями.
Разнообразие гидрогеохимических сред в пределах водоносных комплексов обусловило к настоящему времени в разных частях земной коры своеобразие гидрогеохимических вертикальных разрезов. Например, юго–восток Русской платформы по видам вертикальных гидрогеохимических разрезов девона и карбона делится на три участка. Первый приурочен к Татарскому, Токмовскому, Воронежскому сводам и примыкающим к ним Мелекесской, Серноводско–Абдулинской впадинам, западной части Кинельских дислокаций. В его вертикальном разрезе преобладают GlNan.Ca воды и только нижняя часть разреза (водоносный комплекс D2–D3) представлена CINaCa водами. Второй включает большую часть Жигулевско–Оренбургского свода, Бузулукскую впадину, восточный склон платформы и Предуральский прогиб; Его вертикальный разрез характеризуется преимущественным распространением CINa вод (водоносные комплексы D3–Сd, Q–С2); нижняя, незначительная по мощности, часть разреза (водоносный комплекс D2–D3) представлена CINaCa и CICaNa водами. Третий расположен в Куйбышевском, Саратовском и Волгоградском Поволжье, где по всему разрезу развиты главным образом CINaCa и на отдельных площадях – CINaCaMg воды. Деление территории на участки усложнится, если при установлении характера вертикального гидрогеохимического разреза за основу брать более детальную гидрогеохимическую характеристику. Гидрогеохимическое расчленение Северного Прикаспия произведено с учетом не только химического состава вод девона и карбона, но и перми, так как последние там широко развиты. В Северном Прикаспии развито четыре участка. Первый занимает Татарский свод и близлежащие площади. Вертикальный разрез представлен сверху внизу: а) сульфатными и хлоридными натриевыми водами перми; б) хлоридными натриево–кальциевыми водами (водоносные комплексы С2 и Сг–Сз); в) хлоридными натриевыми и сульфатными водами (водоносные комплексы d–Сг); хлоридными натриево–кальциевыми водами (Ci, D3–Ci, D2–D3). Второй участок распространен в северной части Жигулевско–Оренбургского свода и в платформенной части Башкирии. В верхней части разреза этого участка развиты хлоридные натриевые и сульфатные воды перми; ниже – хлоридные натриевые воды водоносных комплексов от Сг–С3, до D2–D3; еще ниже хлоридные натриево–кальциевые воды водоносного комплекса D2–D3. В третьем участке – Бузулукской впадине – только подземные воды перми отличаются от второго участка: они хлоридные магниевые. В четвертом участке, самом южном, верхняя часть вертикального разреза представлена хлоридными магниевыми водами перми, нижняя – хлоридными натриево–кальциевыми водами девона и карбона. В центральной части Самаркинских дислокаций имеет место своеобразный гидрогеохимический вертикальный разрез, для которого характерно однообразие состава вод; по всему разрезу (девона, карбона, перми) развиты хлоридные натриево–кальциевые воды.