Геологическая деятельность подземных вод

Слова и словосочетания

Отрасль геологии, которая изучает подземные воды и условия их образования, называется гидрогеологией.

2.3.4.1. Формы существования воды в горных породах

Интенсивная деятельность подземных вод определяется прежде всего их огромной массой. По оценке В.И. Вернадского, масса подземных вод достигает 5×10¹⁷т, что немногим меньше общей массы Мирового океана (1,5×10¹⁸т). В пустотах и трещинах земной коры содержится огромный подземный океан, превышающий по массе воды Атлантический океан.

Вода, заполняющая различные пустоты горных пород (каверны, трещины, поры), в зависимости от давления и температуры, может находиться в парообразной, жидкой или твердой (в виде льда) фазах.

Парообразная вода – это водяные пары, которые вместе с воздухом заполняют поры, каверны и трещины горных пород. При понижении температуры или повышении давления водяные пары конденсируются на стенках пустот горных пород и переходят в жидкую фазу.

Подземную воду, находящуюся в горных породах в жидкой фазе, подразделяют на гигроскопическую, пленочную, капиллярную и гравитационную.

Гигроскопическая вода в виде сплошной одномолекулярной пленки или отдельных мельчайших капелек покрывает стенки пустот (рис. 40, а). Она настолько прочно связана с частицами породы, что не способна передвигаться в пустотах породы под влиянием силы тяжести. Выделить гигроскопическую воду из породы можно только путем нагревания породы до температуры более 100°С, при которой вода переходит в парообразную фазу.

Пленочная вода образуюет на поверхности минеральных частиц сплошную пленку из нескольких слоев молекул (рис. 40, б). Толщина такой пленки может быть различной. Пленочная вода способна передвигаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей ее толщиной. Движение воды на стенках пустот происходит до тех пор, пока толщина пленок не станет равной. Пленочная вода движется в различных направлениях, не испытывая влияния силы тяжести.

Капиллярная вода заполняет мелкие пустоты и микротрещины, в которых она удерживается силами поверхностного натяжения (рис. 40, в). Капиллярная вода может продвигаться по капиллярным каналам в любом направлении, в том числе и снизу вверх в направлении, противоположном действию силы тяжести. Продвигается она обычно тем дальше, чем тоньше диаметр пор или трещин, по которым она движется.

Гравитационная вода находится в капельно-жидком состоянии в проницаемых породах, передает гидростатическое давление и передвигается под действием гравитационных сил (рис. 40, г). Сила тяжести обусловливает наличие у гравитационной воды уровня, или зеркала грунтовых вод.

Для геологов наибольший интерес представляет гравитационная вода, содержащаяся в породах и способная перемещаться по пустотам пластов.

Кроме перечисленных в природе существуют также воды, химически связанные с горными породами, участвующие в строении кристаллической решетки минералов. К ним относятся конституционная, кристаллизационная и гидратная воды.

2.3.4.2. Коллекторские свойства горных пород

Содержание и накопление воды в породе зависит от ее коллекторских свойств, то есть от способности вмещать и пропускать через себя воду и любую другую жидкость или газ.

Емкостная способность пород, то есть способность вмещать жидкость или газ, определяется их пористостью. Пористостью т называется отношение суммарного объема пор V_п к общему объему породы V_общ, выраженное в процентах: т = (V_п/V_общ)´100%. Пористость обломочных пород зависит от их гранулометрического состава, под которым понимают размеры и форму частиц из которых сложена порода. Пористость осадочных пород, особенно песков и алевритов, тем выше, чем более однородны по размеру и лучше окатаны отдельные песчинки. И наоборот, чем разнообразнее по размеру частицы, слагающие породу, и чем меньше они окатаны, тем меньше пористость породы.

Происхождение пор в породе определяется особенностями ее формирования и последующих процессов эпигенеза (рис. 41). В зависимости от этих процессов различают поры первичные и вторичные.

Первичные поры формируются в процессе образования породы. К ним относятся поры: межзерновые – между обломками в осадочной породе; межкристаллические – по плоскостям спайности; биогенного происхождения – образовавшиеся после распада органического вещества; межслоевые – между плоскостями напластования осадочных пород.

Вторичные поры образуются в результате воздействия на породу различных факторов. Среди вторичных пор различают: 1) трещинные, возникшие в результате дробления плотных пород при тектонических движениях; 2) эрозионные, образовавшиеся под действием экзогенных процессов выветривания; 3) поры выщелачивания, возникающие при растворении и уносе растворимых минералов потоками подземных вод.

Пористость горных пород колеблется от «полного отсутствия» в массивных породах до 50–60% в глинах. Пористость хорошо отсортированных песков может составлять 15–20 %, а некоторых разновидностей сухой глины даже 50– 60 %. Однако опыт показывает, что далеко не все породы, обладающие пористостью, могут пропускать через себя жидкость или газ. И действительно, величина пористости никак не отражает характер соединения пор между собой, а следовательно, и фильтрационнуюспособность породы. Это свойство горных пород характеризуется проницаемостью.

Проницаемость характеризует площадь сечения каналов пустотного пространства, по которым происходит фильтрация.

Между пористостью и проницаемостью существует довольно сложная зависимость, однако проницаемость породы определяется не только объемом пустотного пространства, но и формой, размерами пор и трещин, характером их соединения между собой. Этим можно объяснить тот факт, что не всегда значительная пористость обеспечивает высокую проницаемость породы. Например, у глин пористость значительно больше (до 50-60%), чем у крупнозернистых песков (до 30%), но глины оказываются практически непроницаемыми. Обусловленоэтотем, что размеры пор у глины настолько маленькие, что большая часть влаги находится в них в сорбированном состоянии, то есть не способна свободно перемещаться по пласту.

Все горные породы в той или иной степени способны пропускать воду, однако степень проницаемости их различна.По степени проницаемости горные породы подразделяются на три группы. К первой относятся проницаемые породы, через которые вода фильтруется наиболее легко. Это – пески, гравий, галечники, трещиноватые разности других пород. Вторая группа объединяет полупроницаемые породы – супеси, лёсс, неразложившийся торф и др. К третьей группе относятся практически не проницаемые породы – глины, плотные глинистые сланцы, аргиллиты, сцементированные осадочные породы, нетрещиноватые разности магматических и метаморфических пород, а также породы, находящиеся в зоне многолетней мерзлоты. Породы первой и второй групп слагают пласты-коллекторы, породы третьей группы образуют пласты-водоупоры.