Порові розчини слабопроникних порід платформних артезіанських басейнів України

Вертикальна гідрогеохімічна зональність порових розчинів у розрізі всієї артезіанської структури аналогічна зональності підземних вод (А.Є.Бабинець, В.В.Колодій. А.В.Кудельський, К.В.Філатов). Що до вертикальної гідрогеохімічної зональності верхнього гідрогеологічного поверху артезіанських басейнів, то вона вивчалася недостатньо. За нашими даними, в межах зони інфільтраційного водообміну платформних артезіанських басейнів не спостерігається закономірних змін мінералізації і хімічного складу порових розчинів в залежності від глибини залягання глинистих порід. В цій зоні зміна хімічного складу визначається не глибиною залягання слабопроникних шарів, а взаємодією розчину з породою. Від підземних вод інфільтрогенна гідрогеохімічна зона порових розчинів відрізняється більш високою мінералізацією і широким розповсюдженням порових розчинів сульфатного типу. Гідрогеохімічний розріз власне слабопроникної товщі має складний характер і являє собою чергування мікрозон з різною мінералізацією і часто з різним хімічним складом. В роботі наводяться приклади характерних гідрогеохімічних розрізів слабопроникних шарів.

Вертикальна гідрогеохімічна зональність шаруватих водонапірних систем розглядається автором як сукупність підземних вод і порових розчинів. З цих позицій вертикальна гідрогеохімічна зональність платформних артезіанських басейнів являє собою чергування гідрогеохімічних зон підземних вод та порових розчинів слабопроникних шарів. В умовах інфільтраційного водообміну таке чергування зводиться до перешаровування прісних гідрокарбонатних зон підземних вод із солонуватими сульфатними, рідше хлоридними зонами порових розчинів. В роботі представлені схеми вертикальної гідрогеохімічної зональності зони інфільтраційного водообміну Дніпровського артезіанського басейну, північного борту Причорноморського артезіанського басейну, артезіанських басейнів Конксько-Ялинської западини та Рівнинного Криму. Усі вони ілюструють шарувату гідрогеохімічну будову артезіанських басейнів, яка відображає гідрогеодинамічні особливості інфільтраційних водонапірних систем - різну інтенсивність горизонтальної і вертикальної фільтрації. В платформних артезіанських басейнах можлива обстановка, коли зона інтенсивного водообміну набуває гідрохімічної однорідності зі слабо виявленою зональністю підземних вод і порових розчинів; однак така обстановка - явище досить нечасте, типовим для шаруватих артезіанських систем можна вважати складну будову вертикальної гідрогеохімічної зональності.

РОЗДІЛ 5. ГІДРОГЕОХІМІЧНИЙ МЕТОД ОЦІНКИ ІНТЕНСИВНОСТІ ВОООБМІНУ В СЛАБОПРОНИКНИХ ШАРАХ ІНФІЛЬТРАЦІЙНИХ ВОДОНАПІРНИХ СИСТЕМ.

Безпосередня участь вертикального водообміну у формуванні хімічного складу інфільтрогенних порових розчинів (розділ 3) дозволяє використати гідрогеохімічну характеристику глинистих порід для оцінки перетікання (взаємозв'язку) підземних вод через слабопроникні шари. Перетікання підземних вод визначається на основі подібності їх хімічного складу з хімічним складом порових розчинів; основними гідрогеохімічними показниками є загальна мінералізація та іонно-сольовий склад.

В платформних артезіанських басейнах прісні порові розчини гідрокарбонатного складу можна вважати показником інтенсивного перетікання прісних підземних вод крізь слабопроникний шар; солонуваті порові розчини сульфатного складу характерні для уповільненої вертикальної фільтрації. За хімічним складом порових розчинів добре простежується перетікання хлоридних підземних вод в районах соляно-купольних структур Дніпровського артезіанського басейну. Мінералізація і аніонний склад порових розчинів дозволяють виділити ділянки і райони інтенсивного вертикального водообміну та оцінити ступінь відкритості артезіанської структури. Гідрогеохімічний розріз слабопроникного шару дає інформацію про фільтрацію через роздільний шар: чергування гідрогеохімічних мікрозон різної мінералізації та хімічного складу відображають перетікання підземних вод по застійним і проточним зонам (табл.2). Слід відмітити, що хімічний склад порових розчинів, його генетичний тип є прямим показником вертикального водообміну через слабопроникні шари або доводять його відсутність.

У розділі подані гідрогеохімічні розрізи поверхово залягаючих водоносних і слабопроникних шарів в Дніпровському артезіанському басейні, які підтверджують зв'язок хімічного складу порових розчинів з інфільтра ційним водообміном. Дається також методика кількісної оцінки інтенсивності водообміну за хімічним складом порових розчинів, яка зводиться до визначення швидкості фільтрації в слабопроникному шарі при розв'язанні рівняння масопереносу. По розрахованій швидкості фільтрації визначено темп інфільтраційного водообміну порових розчинів в основних слабопроникних шарах Дніпровського артезіанського басейну.

Зв'язок хімічного складу порових розчинів з умовами фільтрації через слабопроникні шари (Дніпровський артезіанський басейн).

Таблиця 2

На основі гідрогеохімічних показників перетікання в роботі дається характеристика вертикального водообміну в інфільтраційних водонапірних системах артезіанських басейнів України. В Дніпровському артезіанському басейні інфільтраційний водообмін простежується по всій площі басейну через всі регіональні слабопроникні шари мезо-кайнозойського віку - від четвертинних до юрських. Глибина інфільтраційного водообміну в глинистих породах простежується за нашими данними до 800-1000 м і, очевидно, сягає більших значень. Інтенсивність перетікання через глинисті породи міняється як по площині, так і по розрізу слабопроникного шару. Північно-західну та бортові частини Дніпровського артезіанського басейну можна віднести до відкритих гідрогеологічних структур з інтенсивним вертикальним водообміном, південно-східну - до напіввідкритих.

У глинистому слабопроникному шарі водообмін відбувається шляхом фільтрації по проточним і застійним зонам (інтенсивна і уповільнена фільтрація), що підтверджується гідрогеохімічною будовою слабопроникного шару. Переважне розповсюдження в зоні інфільтраційного водообміну прісних підземних вод дозволяє вважати, що основне перетікання через слабопроникні шари відбувається шляхом "наскрізної" фільтрації на локальних ділянках, а також по проточним мікрозонам глинистих порід (зони активної пористості).

На північному борту Причорноморського артезіанського басейну інфільтраційний водообмін простежується, за гідрогеохімічними показниками, через усі слабопроникні шари кайнозойського віку. В малих артезіанських басейнах Українського кристалічного масиву він охоплює всю осадову товщу до кристалічного фундаменту, включаючи слабопроникні шари. В артезіанських басейнах Східного Криму в інфільтраційну водонапірну систему входять слабопроникні шари четвертинного та пліоценового віку. В розділі подана гідрогеохімічна характеристика водообміну (підземних вод і порових розчинів) на різних стадіях інфільтраційного етапу.

ВИСНОВКИ

Геохімічне дослідження порових розчинів глинистих порід є однією з найменш вивчених проблем в гідрогеології. Перш за все це стосується верхньої гідродинамічної частини артезіанського басейну, з якою пов'язана зона інфільтраційного водообміну. Робота автора має в певній мірі виправити цей недолік.

Узагальнення отриманих матеріалів по гідрохімії слабопроникних шарів дозволяє зробити такі основні висновки.

1. Природна інфільтраційна водонапірна система платформного артезіанського басейну являє собою сукупність підземних вод проникних колекторів і порових розчинів слабопроникних шарів, які пов'язані між собою інфільтраційним водообміном. При перетіканні підземних вод через слабопроникні шари в останніх формуються інфільтрогенні порові розчини, сингенетичні інфільтрогенним водам. Як складова частина підземної гідросфери, вони беруть активну участь в усіх гідрогеологічних процесах, що відбуваються в артезіанському басейні.

2. Інфільтрогенні порові розчини, так само, як і підземні води, відносяться до вод вилуговування. Основні фактори формування їх хімічного складу: іонно-сольовий комплекс підземних вод перетікання; вилуговування (розчинення) солей та окремих елементів з глинистих порід; інфільтраційний солеперенос, змішування порових розчинів різного хімічного складу. Другорядне значення мають такі процеси, як катіонний обмін, молекулярно-дифузійний солеперенос, біохімічні процеси, сорбція та десорбція. Для інфільтрогенних порових розчинів характерні такі геохімічні особливості: більш високі мінералізація та сульфатність в порівнянні з підземними водами; висока неоднорідність хімічного складу по площині та в розрізі слабопроникних шарів; слабо відновні умови, які сприяють накопиченню в порових розчинах амонійного азоту, сірководню, металів змінної валентності; більш високі в порівнянні з підземними водами концентрації мікрокомпонентів - металів і біогенних елементів. Кислотно-лужні властивості порових розчинів подібні до таких в підземних водах.

В платформних артезіанських басейнах України поширені інфільтрогенні порові розчини всіх трьох основних гідрохімічних класів: гідрокарбонатного, сульфатного та хлоридного. За мінералізацією вони відносяться до прісних, солонуватих і солоних вод. В артезіанських басейнах типу Дніпровського найбільш розповсюджені солонуваті сульфатні порові розчини, які можна вважати типовими для умов сталого інфільтраційного водообміну. Загалом на інфільтраційному етапі гідрогеологічного циклу формування хімічного складу порових розчинів слабопроникних глинистих порід проходить за тією ж геохімічною схемою, що й в підземних водах, підпорядковане тим же факторам і процесам.

3. Цілісна уява про гідрогеохімічні умови артезіанського басейну, зокрема, його вертикальної гідрохімічної зональності можлива лише з урахуванням геохімії порових розчинів. Гідрогеохімічна відмінність слабопроникних шарів від водоносних порід створює складну картину гідрогеохімічного розрізу артезіанського басейну, яка значно відрізняється від класичних схем, побудованих на основі лише підземних вод. За результатами наших досліджень, вертикальна гідрогеохімічна зональність шаруватої артезіанської структури являє собою сукупність (перешарування) гідрогеохімічних зон підземних вод і порових розчинів, різних за мінералізацією та хімічним складом. В зонах інфільтраційного водообміну платформних артезіанських басейнів з тривалим континентальним режимом (типу Дніпровського) прісні гідрокарбонатні зони підземних вод чергуються по розрізу басейну з солонуватими сульфатними зонами порових розчинів слабопроникних порід. У відносно молодих артезіанських басейнах спостерігається зміна по розрізу солонуватих хлоридних порових розчинів і прісних гідрокарбонатних підземних вод (Рівнинний Крим). Однорідна вертикальна гідрохімічна зональність інфільтраційної водонапірної системи можлива лише в кінці інфільтраційного етапу при повному розсоленні глинистих порід. Для платформних артезіанських басейнів України характерні різні стадії інфільтраційного етапу з добре вираженою складною вертикальною гідрохімічною зональністю, що відображає різний темп водообміну підземних вод і порових розчинів.

В самих глинистих верствах гідрогеохімічний розріз відзначається незакономірними коливаннями мінералізації та вмісту окремих макрокомпонентів порових розчинів, які пов'язані з неоднаковим засоленням глинистих порід і різною інтенсивністю фільтрації по проточних і застійних зонах у слабопроникних шарах.

4. В процесі повного гідрогеологічного циклу порові розчини слабопроникних глинистих порід проходять ту ж геохімічну еволюцію, що й підземні води. Зібраний автором матеріал дозволяє простежити хімічний склад порових розчинів на всіх основних стадіях гідрогеологічного циклу: стадії осадконакопичення, елізійному та інфільтраційному етапах. З самого початку свого формування, знаходячись в донних відкладах водоймищ, седиментогенні мулові розчини метаморфізуються під впливом органічної і глинистої речовини та біохімічних процесів. Ця метаморфізація, в основному, зберігається на елізійному етапі артезіанського басейну в зонах застійного та уповільненого водообміну. Перехід на інфільтраційний (континентальний) етап пов'язаний перш за все із змішуванням морських седиментогенних та інфільтраційних (атмогенних) порових розчинів, що дає велику хімічну різноманітність порових розчинів. В подальшому, після заміщення первинних порових розчинів, провідну роль в їх геохімічній еволюції відіграють інфільтрогенні порові розчини вилуговування (здебільшого, сульфатні), які при довгостроковому інфільтраційному водообміні набувають хімічного складу, аналогічного складові інфільтрогенних підземних вод. Таким чином, порові розчини платформних артезіанських басейнів проходять повну геохімічну еволюцію - від солоних хлоридних до прісних гідрокарбонатних, відстаючи від підземних вод у темпі геохімічного перетворення.

5. Формування інфільтрогенних порових розчинів в процесі інфільтраційного водообміну обумовило безпосередній зв'язок їх хімічного складу з інтенсивністю фільтрації в слабопроникних породах. Хімічні особливості порових розчинів відображають характер вертикального водообміну (умов перетікання) в артезіанському басейні і в цьому відношенні можуть бути використані для оцінки фільтрації через слабопроникні шари. При цьому автор виходить з того, що іонно-сольовий комплекс інфільтрогенних порових розчинів формується як за рахунок підземних вод, так і при вилуговуванні хімічних елементів із глинистих порід, причому цей фактор, в основному, і змінює поровий розчин. Оцінка водообміну базується на принципі подібності хімічного складу підземних вод і порових розчинів слабопроникних шарів. Простежується чіткий зв'язок хімічного складу порового розчину з інтенсивністю фільтрації, який пов'язаний з різним вмістом розчинних солей в проточних і застійних зонах слабопроникних порід. Основні гідрогеохімічні показники інтенсивності водообміну: загальна мінералізація порового розчину; склад макрокомпонентів, зокрема, аніонів; вміст мікрокомпонентів і біогенних елементів, характерних для застійного режиму. За цими ознаками добре простежуються промиті та слабопромиті глинисті верстви, що обумовлено темпом водообміну, а також проточні та застійні зони в самих слабопроникних шарах, пов'язані з інтенсивною чи уповільненою фільтрацією. Таким чином, хімічний склад порових розчинів доводить існування "подвійної" фільтрації в глинистих породах ("наскрізної" і порової). В цілому гідрогеохімія слабопроникних шарів відповідає фільтраційній схемі для шаруватих артезіанських систем: інтенсивна горизонтальна та уповільнена вертикальна фільтрації.

Виконані автором дослідження порових розчинів доповнюють існуючі уявлення про водообмін в платформних артезіанських басейнах України. Хімічний склад порових розчинів мезо-кайнозойських глинистих порід підтверджує регіональне перетікання підземних вод через слабопроникні шари в межах усього верхнього гідрогеологічного поверху (зона інфільтраційного водообміну). Воно нерівномірне як по площині, так і в розрізі слабопроникних верств. Основне перетікання прісних підземних вод відбувається локально, на найбільш проникних ділянках, або там, де глинисті шари відсутні, а також шляхом "наскрізної" фільтрації, що і обумовило переважне розповсюдження в зоні інфільтраційного водообміну прісних підземних вод, не дивлячись на перевагу солонуватих порових розчинів у слабопроникних породах.

На закінчення слід відзначити, що вивчення порових розчинів так само необхідне для пізнання артезіанської структури в цілому, як і вивчення підземних вод. Геохімічні дослідження порових розчинів можна віднести до самостійного напрямку, який охоплює не лише проблеми регіональної гідрогеології та гідрогеохімії, що розглядаються в даній роботі, але й питання участі порових розчинів у процесах техногенезу, а також у палеогідрогеологічних реконструкціях і пошуках корисних копалин. Вагома роль порових розчинів при еколого-гідрогеологічних оцінках різних геохімічних ландшафтів. Тому вивчення порових розчинів глинистих порід має бути невід'ємною частиною всіх гідрогеологічних досліджень.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Монографії.

1. Водообмен в гидрогеологических структурахУкраины. Методы изучения водообмена.-Киев: Наукова думка, 1988- 272 с. (соавторы В.М.Шестопалов, А.Б.Ситников, В.И.Лялько и др.).

2. Водообмен в гидрогеологических структурахУкраины. Водообмен в естественных условиях. - Киев: Наукова думка, 1989. - 288 с. (соавторы В.М.Шестопалов, Н.И.Дробноход, В.И.Лялько и др.).

3. Водообмен в гидрогеологических структурахУкраины. Водообмен в нарушенных условиях. - Киев: Наукова думка, 1991.- 528 с. . (соавторы В.М.Шестопалов, Н.С.Огняник, Н.И.Дробноход и др.)

Наукові статті, препринти, тезиси наукових доповідей.

1. К методике прогноза гидрогеологической обстановки на орошаемых территориях // Материалы по геологии, гидрогеологии, геохимии и геофизики Украины и РСФСР. Сборник научных работ. - Киев: Вища школа, 1977. - Вып.13. - С.63-67 (соавторы Н.С.Огняник, А.Л.Брикс).

2. К вопросу о формировании химического состава поровых растворов грунтов зоны аэрации на орошаемых массивах Присивашской низменности.// Геол. журн., 1979.- т.39 , № 4.- С.131-137.

3. . О гидрогеологических особенностях донных отложений лиманов северо-западного Причерноморья. // Геол. журн. 1981.- т.41, № 2.- С.104-111. (соавтор А.Е.Бабинец).

4. Уран в поровых растворах четвертичных отложений лиманов Черного моря. // Геохимия ландшафтов и подземных вод.- Краснодар, 1981.- С.143-147 (соавтор В.В.Гудзенко).

5. Новые данные о распределении урана в жидкой фазе донных осадков Черного моря. // Докл. АН УССР. Сер Б. -1981.- №11.- С.7-10 (соавторы А.Е.Бабинец, А.Ю.Митропольский).

6. Геохимические особенности поровых растворов региональных водоупорных слоев зоны активного водообмена платформенных артезианских бассейнов// Формирование подземных вод как основа гидрогеологических прогнозов.-Материалы I Всесоюзной гидрогеологич. конференции.- Т.1.- Москва, Наука, 1982,- С.281-283.

7. Микроэлементы в поровых растворах черноморских лиманов (металлы) // Геол. журн. 1982.- Т.42, № 6.- С. 123-126.

8. Геологическая история северо-западного шельфа Черного моря по данным гидрогеохимических исследований лиманов// Тр.междун.симпоз. “Изучение геологической истории и процессов современного осадкообразования Черного и Балтийского морей”, ч. I.- Киев, Наукова думка, 1984.- С.113-116.

9. Химизм иловых растворов донных отложений Черного моря в связи с процессами современного осадкообразования// Тр. междун.симпоз. “Изучение геологической истории и процессов современного осадкообразования Черного и Балтийского морей”, ч.2.- Киев: Наукова думка, 1984.- С.84-88.

10. Инфильтрогенные поровые растворы платформенных артезианских бассейнов Украины в процессе литогенеза// Подземные воды и эволюция литосферы, т.2. Материалы Всесоюзной конференции.- Москва: Наук, 1985.- С.56-58.

11. Вертикальная гидрогеохимическая зональность ин-фильтрогенных подземных вод и поровых растворов Днепровского артезианского бассейна зоне интенсивного водообмена//Докл.АН УССР.Сер.Б.-1986.-№2.-С .17-19.

12. Формирование химического состава поровых растворов платформенных артезианских бассейнов в зоне интенсивного водообмена// Геол. журн.- 1986.- т.46, № 4.- С.96-105.

13. Поровые растворы кайнозойских слабопроницаемых пород северо-восточного Приазовья. // Геол. журн.- 1990.- № 4.- С. 32-37.

14. Цезий-137 в природной системе поровый раствор-порода// Радиоизотопы в экологических исследованиях.- Киев:: Наукова думка, 1993.- С.87-93. (соавтор В.В.Гудзенко).

15. Изучение взаимосвязи водоносних горизонтов по химическому составу поровых растворов слабопроницаемых слоев // Геол. журн. - 1995.- № 3-4.- С.74-78.

16. Поровые растворы слабопроницаемых пород платформенных артезианских бассейнов Украины.- Киев, 1993.- 57 с. (Препринт/ АН Украины. Ин-т геологических наук).

17. Иловые растворы донных отложений в природных водоемах// Состояние и перспективы развития методич.основ химич. и биолог. мониторинга поверхностных вод суши. Тезисы докл.- Ростов н/ Д.- 1987.- С.300-301.

18. Техногенные поровые растворы донных отложений Украины. // Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии. Ч.2. Тезисы докл.- Киев: Наукова думка, 1988.- С. 151-152.

19. Гидрогеохимические исследования поровых растворов слабопроницаемых пород при изучении водообмена в артезианских бассейнах// Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии, ч.4. Тезисы докл.- Киев: Наукова думка, 1988.- С. 185-186.

Размещено на Allbest.ru