Гидродинамическая зональность. 
Строение артезианских бассейнов

В 1931 г. П. И. Бутов ввел понятие о зонах " активного" и " пассивного" водообмена. В 1937;39 гг. Ф. А. Макаренко (для района Мацесты) и в 1939 г. Н. К. Игнатович (для Русской платформы), изучая условия формирования (в том числе и химического состава) подземных вод, пришли к выводу о существовании трех гидродинамических зон. Подробная схема гидродинамической зональности была разработана и опубликована Н. К. Игнатовичем в 1947 г., и сводится к тому, что в разрезе артезианских бассейнов выделяются три гидродинамические зоны.

Зона активного водообмена с крупными «гидродинамическими ресурсами» пресных подземных вод — находится под воздействием экзогенных факторов: климат, рельеф, речная сеть.

Зона «затрудненной циркуляции» подземных вод — в ее пределах происходит уменьшение скоростей и расходов фильтрации, а следовательно, и увеличение времени водообмена.

Зона застойного водного режима (относительного покоя) — подземный сток проявляется только в масштабе геологического времени. Зона характеризуется наличием ряда физико-химических процессов (обменные процессы, диффузия, сорбция, осмос и др.), формирующих специфический химический состав подземных вод.

Им примерно соответствуют три гидрогеохимические зоны: пресных подземных вод гидрокарбонатного состава, солоноватых и соленых вод сульфатного и сульфатно-хлоридного состава и высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава.

Исходя из различной степени взаимосвязи подземных вод с поверхностным стоком и «соотношения преобладания влияния экзогенных и эндогенных» факторов, В. А. Всеволожский выделил для артезианских бассейнов три гидродинамические зоны, в той или иной мере охватывающие структурно-гидрогеологические этажи.

В пределах первого гидрогеологического этажа по кровле первой водоупорной толщи, не вскрытой эрозией, проводится граница двух гидродинамических зон. Верхняя зона характеризуется свободной связью с поверхностными водами и соответствует зоне свободного (интенсивного) водообмена (по Н.К. Игнатовичу). В нижней гидродинамической зоне нет открытой связи с поверхностью. Разгрузка и питание подземных вод осуществляется преимущественно за счет вертикальной фильтрации через слабопроницаемые толщи. В принятой классификации эта зона соответствует зоне затрудненного водообмена.

Во втором гидрогеологическом этаже по мере погружения и удаления от краевых зон бассейна происходит ухудшение связи с поверхностью и уменьшение скоростей и расходов фильтрации. По характеру изменения расходов в пределах второго этажа выделяются все три гидродинамические зоны со значительно различными сроками водообмена.

В.И. Дюнин (2000) на основании соотношения и изменения величин горизонтальных и вертикальных фильтрационных сопротивлений, характера изменения градиентов и расходов вдоль линии тока количественно обосновал выделение трех гидродинамических зон.

Первая зона («краевая область питания») охватывает периферийную часть бассейна и по условиям формирования динамики подземных вод является зоной интенсивного водообмена.

Для второй зоны характерно резкое уменьшение расходов латеральных потоков и преобладание затрудненной вертикальной разгрузки подземных вод в вышележащие водоносные комплексы, что приводит к увеличению сроков водообмена. Эта зона является зоной относительно затрудненного водообмена, или переходной зоной.

Третья гидродинамическая зона определяется отсутствием питания, формирующегося в периферийных частях бассейна. Движение осуществляется только путем затрудненной восходящей фильтрации при наличии внутренних источников питания. В соответствии с принятой терминологией — это зона весьма затрудненного водообмена.

Получение все более новой информации о зоне весьма затрудненного водообмена, а также открытие аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в древних бассейнах привело к принципиально новым представлениям о гидрогеодинамике глубоких горизонтов. Они основываются на гипотезе о компрессионном (элизионном) движении подземных вод (А.А. Карцев, Ю. В. Мухин, И. К. Зайцев, В. В. Колодий и многие другие). В соответствии с этой гипотезой глинистые тонкодисперсные породы при осаждении захватывают большое количество воды. В последующем, при уплотнении, диаи катагенезе глинистые толщи отдают воды, которые мигрируют в коллекторские толщи, причем, чем больше суммарная мощность глин в разрезе, тем больший объем воды отжимается. Это приводит к формированию в глубоких частях разреза аномально высоких давлений и движению подземных вод из наиболее погруженных частей (областей питания) артезианского бассейна к приподнятым периферийным частям (областям разгрузки).

В этом случае для артезианских бассейнов характерно наличие границы, где встречаются инфильтрационный и элизионный потоки, т. е. разрез делится на два гидродинамических изолированных этажа (А.А. Карцев, В. В. Колодий и мн. др.). Верхний охватывает зоны активного и затрудненного водообмена и характеризуется движением в нисходящем направлении, по падению пластов под действием градиента гидростатического напора. Нижнему этажу соответствует зона весьма затрудненного водообмена, где господствует восходящее направление фильтрации флюида под действием компрессионного давления. Такое расчленение разреза предполагает отсутствие влияния гидростатического давления, сформированного в периферийных частях артезианских бассейнов, на гидродинамику подземных вод глубоких горизонтов.

В.Н. Корценштейн полагает, что не менее 75% седиментационных вод возвращается в бассейн осадконакопления в результате первичного отжатия, часть оставшихся 25% расходуется на влагоемкие процессы диагенеза глинистых минералов, и только остальная поступает в коллекторские толщи, где смешивается с инфильтрационными подземными водами и движется к областям разгрузки. Указанные явления происходят главным образом на раннем этапе развития водонапорной системы.

Одновременно с исследованиями современных гидродинамических условий глубоких горизонтов стала активно развиваться и палеогидрогеология. На повторяемость гидрогеологических обстановок первым обратил внимание А. Н. Семихатов в 1947 г. Он ввел понятие о «гидрогеологическом цикле» — повторяемости гидрогеологических процессов в подземных толщах, заключающихся в накоплении морских вод в образовавшихся осадках, а затем смене их пресными водами при регрессии моря. Полный гидрогеологический цикл состоит из элизионного (седиментационного), инфильтрационного и иногда эндогенного этапов водообмена.

Предполагается, что в глубокие водоносные горизонты могут поступать воды тремя путями: за счет вод, отжимающихся из пород в процессе катагенеза; за счет инфильтрационного питания, осуществляемого в пределах горно-складчатого обрамления или по периферии артезианских бассейнов; за счет эндогенных растворов, которые в период тектонической активности прорываются из фундамента и, возможно, верхней мантии. В соответствии с этим выделяют геостатический, гидростатический и эндогенный (глубинного типа) гидродинамические режимы (А.А. Карцев, Е.В. Пиннекер). Причем эти типы режимов отдельно могут не встречаться, а могут проявляться одновременно, на разных уровнях разреза и в разное время. Современный режим отражает определенный этап геологической истории артезианского бассейна.

Е.В. Пиннекер выделил три основные стадии гидродинамического развития артезианских бассейнов: геостатический, переходный и гидростатический.

Геостатическая стадия развития определяется наличием тектонических напряжений, процессов уплотнения и литогенеза, а также восходящей миграцией флюида из фундамента. Эта стадия характерна для молодых артезианских бассейнов, которые продолжительное время представляли собой морские бассейны, и после закрытия весь разрез артезианского бассейна был охвачен элизионным движением от центральных частей бассейна к периферии (Западно-Туркменская часть Южно-Каспийского бассейна).

Эндогенный режим (режим глубинного типа) обычно не характерен для всего артезианского бассейна. Он проявляется в областях с повышенной тектонической и вулканической деятельностью и приводит к интенсивному восходящему движения подземных вод. Это может происходить на любой стадии развития бассейна. Величины пластовых давлений, начиная с глубин менее одного километра, в таких районах, как правило, значительно превышают гидростатические.

На переходной стадии в верхнюю часть литосферы проникают инфильтрационные воды и происходит захват верхнего этажа гидростатическим давлением, в нижнем — по-прежнему продолжает господствовать геостатическое давление. Эти этажи являются гидродинамически не взаимосвязанными (Предкавказский прогиб, Туранская и Западно-Сибирская плиты, Лено-Вилюйская впадина).

Гидростатический режим наступает тогда, когда действие гидростатического давления распространяется на всю водоносную систему. Такой режим может существовать только в древних артезианских бассейнах.

По мнению В. И. Дюнина, к основным особенностям формирования подземных вод артезианских бассейнов относятся следующие.

• 1. Независимо от возраста и геологического строения для всех артезианских бассейнов отсутствует влияние периферии бассейна на формирование глубоких вод зоны весьма затрудненного водообмена.
• 2. Наличие гидродинамически не взаимосвязанных или весьма слабо взаимосвязанных друг с другом блоков; преобладание вертикальной фильтрации, которая осуществляется периодически и приводит к процессам новообразования минералов.
• 3. Непостоянство химического и газового состава флюида на относительно небольших расстояниях свидетельствует о неравновесном состоянии гидродинамической системы и подтверждается наличием аномальных пластовых давлений и резкой дифференциацией поля давлений в плане и разрезе.

Эта точка зрения в последнее время принимается все большим числом исследователей и подтверждается для многих регионов. Пластово-блоковый характер проявляется не только в крупных тектонических структурах, но и в локальных, небольших по размерам структурах. В пределах Сургутского свода выделены блоки с различными гидродинамическими условиями, гидрогеохимическими показателями и характером зональности. Р. И. Рустамов для отдельных месторождений Среднекуринской впадины выявил сложную картину распределения давлений с перепадами до 1000 м водяного столба. В. И. Дюниным в пределах Салымского нефтяного месторождения установлена система изолированных блоков, латеральная миграция в пределах месторождения ограничена размерами блоков, и преобладающей является вертикальная миграция.

В последних работах по региональной гидродинамике глубоких горизонтов, посвященных Печорскому артезианскому бассейну, А. М. Фартуковым и А. В. Корзун были сделаны выводы о гидродинамической неоднородности глубоких частей разреза по всей площади распространения водоносных комплексов, об автономности отдельных участков, каждый из которых характеризуется различной интенсивностью и направленностью флюидообменных процессов.

Пластово-блоковый характер глубоких горизонтов может определяться наличием внутренних источников питания. Одним из них, по мнению многих исследователей, является отжатие поровой и кристаллизационной воды на всех стадиях литогенеза. Но этот процесс не дает достаточного количества воды, чтобы существенно повлиять на распределение пластовых давлений.

Другим источником могут служить флюиды, которые прорываются в периоды тектонической активности из глубоких частей земной коры, поднимаются вверх по разрезу и в определенных условиях могут даже изливаться на дневную поверхность. Эти флюиды могут сильно отличаться по химическому и газовому составу, а также термобарическим характеристикам от растворов, находящихся в породах. Данный фактор обязательно должен приводить к нарушению термодинамического равновесия в системе «вода-газ-порода» .

В результате образовываются трещины гидроразрыва, происходят фазовые переходы, физико-химические реакции и выпадение минералов. Все эти процессы изменяют величину порового (трещинного) пространства пород и могут приводить к понижению пористости пород или к полному ее исчезновению. Таким образом, это приводит к формированию относительно непроницаемых границ и, как следствие, к гидродинамически изолированным блокам.

На величину и распределение пластовых давлений влияет напряженное состояние вмещающих пород, особенно в районах повышенной тектонической активности, которое, по сути, является источником питания.

По принципу наличия движения различаются следующие представления о гидрогеодинамике артезианских вод.

• 1. Подземные воды, начиная с определенной глубины, находятся в застойном или относительно застойном состоянии — Б. Л. Личков, Н. К. Игнатович, Н. И. Толстихин, Е. В. Посохов, И. К. Зайцев, Е. Ф. Станкевич и мн. др. При этом большинство исследователей под застойностью понимает отсутствие значительного водообмена с поверхностными водами в настоящее время.
• 2. Подземные воды во всем осадочном чехле движутся с той или иной скоростью от областей питания к региональным областям разгрузки — А.И. Силин-Бекчурин, М. А. Гатальский, В. П. Якуцени, В. А. Кротова, И. К. Зерчанинов, М. И. Зайдельсон, Е. В. Пиннекер, Ю. В. Мухин и др.
• 3. Движение глубоких вод осуществляется за счет элизионного питания, а направление движения — из наиболее погруженных частей разреза к периферии артезианских бассейнов — А. А. Карцев, Ю. В. Мухин, И. К. Зайцев, В. В. Колодий, А. Я. Ходжакулиев и мн.др.
• 4. На отдельных этапах развития артезианских бассейнов преобладает восходящее движение за счет поступления ювенильных вод — В. Ф. Дерпгольц, Е. С. Гавриленко, Л. Н. Елянский, П. Н. Кропоткин, Е. В. Пиннекер, В. А. Кротова, А. А. Дзюба, В. И. Дюнин и мн.др.

По движущим силам.

• 1. Под действием градиента давления (напора) — А. А. Карцев, Ю. В. Мухин, И. К. Зайцев, В. В. Колодий, А.И. Силин-Бекчурин, М. А. Гатальский, В. П. Якуцени, В. А. Кротова, И. К. Зерчанинов, М. И. Зайдельсон, Е. В. Пиннекер и мн. др. (подавляющее большинство).
• 2. Под действием сил гравитации существует струйное течение вод с различной плотностью, в результате которого воды с большими значениями плотности опускаются, а с меньшими — поднимаются (А.Б. Ронов, М. Г. Валяшко, А. И. Поливанова, А.А. Куваев), — т. е. главной движущей силой является сила гравитации, или «плотностная конвекция» по А. А. Куваеву.
• 3. Движение вод происходит под действием подземного испарения или какого-либо иного удаления воды. Движение идет в нисходящем направлении к местам максимального погружения пласта — В. А. Сулин, М. Е. Альтовский, Н. В. Кулаков, А. А. Бродский и др.
• 4. Движение подземных вод происходит на молекулярном уровне — С. И. Смирнов (диффузия) и А. Г. Арье (файлюация — движение подземных вод в тонкодисперсных породах при градиентах менее начального).
• 5. На движение глубоких подземных вод существенное влияние оказывают постоянно действующие тектонические силы, меняющие поле напряжений — Г. С. Вартанян, Г. В. Куликов, В. И. Дюнин и др.

По положению источников питания в пространстве.

• 1. Питание осуществляется на периферии артезианских бассейнов в областях выхода отложений на дневную поверхность (инфильтрационное питание) — Б. Л. Личков, Н. К. Игнатович, Н. И. Толстихин, А.И. Силин-Бекчурин, М. А. Гатальский, В. П. Якуцени, В. А. Кротова, И. К. Зерчанинов, М. И. Зайдельсон, Е. В. Пиннекер, Ю. В. Мухин и др.
• 2. Области питания расположены во внутренних, наиболее погруженных областях водоносных горизонтов (воды, переходящие в свободное состояние при катагенезе осадочных пород) — А. А. Карцев, Ю. В. Мухин, И. К. Зайцев, В. В. Колодий, С. Б. Вагин, Е. А. Басков и мн. др.
• 3. Периодическое питание за счет эндогенных процессов (скрытая гидротермальная деятельность) — В. Ф. Дерпгольц, Е. С. Гавриленко, Л. Н. Елянский, П. Н. Кропоткин, Е. В. Пиннекер, В. А. Кротова, А. А. Дзюба, В. И. Дюнин, В. Н. Флоровская, Г. Н. Доленко и мн.др.

Объединяет практически все точки зрения одно очень важное обстоятельство. Все они предполагают гидродинамическую взаимосвязь каждого элемента разреза на всей площади распространения и возможность передачи пластовых давлений на большие расстояния — десятки, сотни и даже тысячи километров.

В.И. Дюнин разделяет следующую точку зрения, которая представляется наиболее предпочтительной и аргументированной немалому ряду ученых. Ограниченная роль периферии бассейна в гидрогеодинамике глубоких водоносных (нефтегазоносных) горизонтов; блоковое (пластово-блоковое) строение глубоких частей разреза артезианских структур; существенная роль эндогенных факторов, проявляющихся периодически; значимая роль тектонических сил, влияющих на формирование современного поля пластовых давлений.

Рис. 2. 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.