Методика поисково-разведочных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

80

ВВЕДЕНИЕ

Питьевые подземные воды являются жизненно важным минеральным ресурсом, обеспечивающим развитие социальной сферы и экономики любого государства, и пользуется все возрастающим спросом. Для водоснабжения городов и населенных пунктов, промышленных комплексов проводятся поисковые и поисково-оценочные работы, разведаны и разведываются месторождения питьевых подземных вод. Значительные ресурсы подземных вод привлекаются в связи с рассредоточенным их использованием, в том числе сельскохозяйственным производством, для которого подземные воды являются также источником водоснабжения.

Недостаток питьевых подземных вод в России, по оценкам В.В. Куренного (2010) отмечается на 80% ее территории. По глобальным оценкам И.С. Зекцера (2007) эта цифра составляет 60% территории земного шара.

К питьевым подземным водам относят воды, которые по своим качественным показателям выделяются среди пресных вод по величине общей минерализации в интервале 0,25 - 0,75 г/дм3 (Куренной, 1965, 2008, 2009; Куренной, Шварцев, 2010). Воды с минерализацией до 0,25 и более 0,75 г/дм3 (до 1,5 г/дм3) целесообразно считать допускаемыми для питьевых целей с соблюдением определенных требований, в том числе к режиму потребления, разрабатываемых для гидрогеологических условий той или иной сложности. С учетом санитарно-гигиенических требований к микрокомпонентной группе показателей их питьевые качества уточняются нормативными документами.

В конце прошлого столетия Министерством природных ресурсов России была осуществлена оценка водообеспеченности населения России ресурсами подземных вод. Впервые были получены данные о ресурсном потенциале хозяйственно-питьевых подземных вод страны, достигающем 870 млн. м3/сут (Боревский, Язвин, 2005). Ресурсы собственно питьевых подземных вод не оценивались. Региональные гидрогеологические исследования, основанные на использовании методов структурно-гидрогеологического анализа, позволяют произвести типизацию условий и вскрыть закономерности формирования и локализации ресурсов питьевых подземных вод, присущие конкретному региону.

Представления об условиях локализации складываются последовательно при изучении закономерностей неоднородности фильтрационных сред. Геологическая неоднородность - ключевая проблема гидрогеодинамики (Шестаков, 2003). Исследование природного явления неоднородности позволяет выделять части водоносных систем, благоприятные для формирования питьевых подземных вод, разрабатывать критерии для построения соответствующих прогнозно-поисковых моделей их формирования.

Одна из важнейших гидрогеологических закономерностей состоит в том, что формирование питьевых подземных вод происходит в зоне свободного водообмена, требует целенаправленного изучения и оценки ее как пространства, находящегося под влиянием дренирования земной коры в границах гидрологического цикла. Водосборы гидрографической сети являются непосредственными гидрогеологическими структурами, реализующими процессы дренирования и единство подземных и поверхностных вод. При этом подземное питание поверхностных водных объектов (водотоков, озер, водохранилищ) выполняет роль регулирующего фактора (Аполлов, 1963), а водосборы располагают всеми атрибутами геологической среды для формирования питьевых подземных вод. Исключение могут составлять некоторые регионы с крайне специфическими гидрогеологическими условиями (криолитозона, регионы приповерхностного распространения эвапоритовых формаций седиментационных бассейнов, аридные и субаридные регионы).

В настоящем проекте рассматриваются типы месторождений подземных вод горно-складчатых областей, содержащие ресурсы воды питьевого качества, подробно анализируются методические приемы ведения поисково-разведочных работ, оценки запасов и расчета водозаборов. На примере одного из месторождений горных областей Башкирского Зауралья представлен весь комплекс мероприятий по детальной разведке подземных вод трещинно-карстового комплекса на перспективном участке; оцениваются эксплуатационные запасы и исследуются источники возможных привлекаемых ресурсов (поверхностных речных вод) с точки зрения влияния на качество извлекаемых подземных вод.



ГЛАВА 1. ТИПИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ГОРНО-СКЛАДЧАТЫХ ОБЛАСТЕЙ

Существует две общепринятых классификации подземных вод по характеру залегания: А.М. Овчинникова (1955) и Е.В. Пиннекера (1979), согласно которым различают три типа вод: верховодка (подвешенные), грунтовые (без напорные) и артезианские (напорные).Кроме того, в напорных водах Е.В. Пиннекер выделяет класс глубинных вод и субмаринной зоны, связанных и не связанных с континентом.

Таблица 1 - Классификация подземных вод по А.М. Овчинникову (1955) в трещиноватых горных породах и районах молодого вулканизма

Основной тип вод	Подтипы вод	Особые типы вод
	в трещиноватых горных породах (трещинные воды)	районов молодого вулканизма
Грунтовые	Трещинные грунтовые воды кровли коренных изверженных пород и основания лавовых потоков	Повышенной температуры, обогащенные газами
	Пластово-трещинные и трещинно-пластовые осадочных отложений Карстовых массивов карбонатных пород (а также гипсоносных и соленосных)	Небольших фумарол и гейзеров
Артезианские	Артезианских бассейнов (в пластах, массивах и штоках трещиноватых горных пород) Артезианских склонов (в карбонатных и туфогенных толщах и массивах интрузивных пород)	Газирующие термоминеральные (иногда, горячие), восходящие по тектоническим разрывам и контактам различных свит Артезианских систем, осложненных внедрением изверженных масс, обогащенных специфическими (иногда редкими) элементами



Таблица 2 - Классификационная схема подземных вод по характеру залегания (Пиннекер, 1979) в трещиноватых и кавернозных породах и районов современного вулканизма

Группа	Отдел	Тип	Класс	Подкласс	Особые условия
				Воды в трещиноватых и кавернозных породах (трещинные и жильно-трещинные)	Воды районов современного вулканизма
	Подземные зоны насыщения на континентах	Преимущественно безнапорные воды	Грунтовые воды	Верхней части зоны интенсивной трещиноватости и закарстованных массивов	Нижней части лавовых покровов
		Напорные воды	Артезианские воды	Погруженных трещинных зон, находящиеся под гидростатическим напором	Гидротермальных систем с гидростатическим напором
			Глубинные воды	Разломов глубокого заложения в сфере действия эндогенных сил	Вулканических аппаратов и гидротермальных систем, связанные с восходящим потоком из магматических очагов
Подземные воды под морями и океанами	Подземные воды субмаринной зоны насыщения	Преимущественно напорные воды	Воды, связанные с континентом	Закарстованных пород шельфа и разломов	Субмаринных вулканических аппаратов и океанических гидротермальных систем
			Воды, не связанные с континентом	Желобов и срединно-океанических рифтов

По геолого-гидрогеологическом условиям, определяющим методику проведения разведочных работ и подсчета эксплуатационных запасов, месторождения подземных вод горно-складчатых областей подразделяются на следующие типы:

месторождения межгорных артезианских бассейнов;

месторождения в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин;

месторождения в ограниченных по площади структурах или массивах трещинных и трешинно-карстовых пород и в зонах тектонических нарушений;

месторождения в надморенных и межморенных водно-ледниковых отложениях;

По степени неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород водоносные горизонты и комплексы могут быть разделены на условно однородные, неоднородные и весьма неоднородные. Для предварительной характеристики степени неоднородности пласта могут быть использованы данные по отдельным дебитам скважин. В условно однородных пластах максимальные и минимальные дебиты однотипно оборудованных скважин различаются не более чем в 5 раз, в неоднородных - в 5-10 раз и в весьма неоднородных - более чем в 10 раз.

В зависимости от сложности гидрогеологических условий все месторождения подземных вод могут быть подразделены на три обобщенные группы.

Группа I. Месторождения с простыми гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к спокойно залегающим коллекторам выдержанной мощности, представленным однородными (пористыми и равномерно трещиноватыми) породами.

Группа II. Месторождения со сложными гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к относительно спокойно залегающим коллекторам невыдержанной мощности или неоднородным по фильтрационным свойствам (неравномерно трещиноватым и закарстованным).

Группа III. Месторождения с очень сложными гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к весьма неоднородным по фильтрационным свойствам (неравномерно трещиноватым или закарстованным) коллекторам, имеющим локальное распространение, или пластам, невыдержанным по мощности и осложненным тектоническими нарушениями.

Месторождения пресных подземных вод горно - складчатых областей преимущественно относятся к двум последним группам. Ниже приводится характеристика наиболее распространенных типов месторождений.

1.1 Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

К данному типу относятся бассейны, связанные с межгорными и внутри горными впадинами горно-складчатых областей. 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 следующие.

1. 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.

2. 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.

3. 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 тонко - дисперсных (глины, суглинки), формирующихся на заключительной стадии цикла осадконакопления (верхняя часть разреза) в центральных районах впадины.

Крайняя периферийная область бассейна, 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 высоко проницаемых (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.

Во второй области 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. Разгрузка осуществляется через русловые отложения и в виде открытых выходов (родников).

Для третьей зоны бассейна 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). 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 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 (гипсометрический ниже расположенный) межгорный бассейн или смежный структурно-гидрогеологический район другого типа.

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 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) состава.

В аридных условиях в центральной части межгорных бассейнов, на участках с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод характерной является их разгрузка путем испарения. Показателем такой разгрузки нередко является наличие соляных озер, солончаков, солончаковых понижений и др. В пределах таких участков распространены, как правило, солоноватые и соленые (иногда до 30-50 г/л и более) грунтовые воды хлоридного состава.

В краевых предгорных зонах, преимущественно в верхней части разреза, они нередко характеризуются широким распространением рыхлых аллювиально-пролювиальных отложений или интенсивно закарстованных карбонатных пород. Это определяет высокую проницаемость разреза, благоприятные условия питания подземных вод (приток из складчатых областей, поглощение поверхностного стока и др.), формирование мощной (1000-1500 м и более) зоны пресных подземных вод и т.д.

Минерализация глубоких подземных вод (2-3 км и более) может изменяться от 10-20 г/л в разрезах, сложенных континентальными или прибрежно-морскими терригенными породами, до 270-300 г/л и более при наличии галогенных толщ. При этом в зависимости от внутреннего структурного плана бассейна, мощности и строения разреза гидродинамические условия, типы гидрогеохимической зональности (прямая, инверсионная), характер изменения минерализации и состава подземных вод с глубиной, геотермические градиенты и другие характеристики могут достаточно резко изменяться даже в пределах различных структурных зон и участков одного бассейна.

1.2 Трещинные воды гидрогеологических массивов

Трещинные подземные воды являются основным типом свободных (гравитационных) вод в изверженных, метаморфических, сильно литифицированных осадочных и вулканогенных породах, фильтрационные и емкостные свойства которых определяются развитием трещиноватости (трещин) различных генетических типов.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах характеризуются своеобразными особенностями распределения, движения и накопления. Исследователи сталкиваются с определенными затруднениями при установлении путей движения таких вод, выделении водоносных зон и определении их мощности, оценке глубины распространения зон интенсивной трещиноватости, выборе показателей для гидрогеологических расчетов. Это связано с тем, что элементарными коллекторами (ячейками), в которых движется вода, здесь являются различные по размерам пустоты (трещины, каверны, жилы) разного генезиса к характера, формирующие неравномерно проницаемую среду.

Трещинные воды широко развиты в пределах гидрогеологических массивов и в меньшей степени в бортовых частях бассейнов пластовых вод. Они могут быть безнапорными и напорными.

Горизонты безнапорных трещинных вод (водоносные зоны трещиноватости) обычно связаны с верхней частью разреза гидрогеологических массивов, находящейся в сфере активного воздействия экзогенных процессов, где формируются подземные потоки, направленные от водоразделов к подошве склонов. Проницаемость водовмещающих пород интенсивно меняется по всей площади распространения горизонтов, поэтому в непосредственной близости могут быть встречены весьма водообильные и практически непроницаемые зоны. Мощность водоносных зон обычно сопоставима с мощностью открытой трещиноватости и изменяется от 30 до 200 м.

Дебит источников, выводящих трещинные воды на поверхность, составляет сотые или десятые доли литра в секунду. Производительность скважин также невелика: удельный дебит характеризуется теми же значениями, что и дебит источников. Обычно водообильность кристаллических пород не зависит от их минералогического состава и структурных особенностей. Пределы значений дебита скважин в разных породах весьма близки, а их изменение определяется различной выветрелостью и трещиноватостью пород.

Трещинные воды гидрогеологических массивов питаются в основном за счет атмосферных осадков, вод поверхностных водотоков и водоемов. В фундаменте бортовых частей бассейнов пластовых вод они могут пополняться за счет перетока из водоносных горизонтов перекрывающих осадочных пород. Обычно трещинные воды безнапорные, а их движение подчиняется линейному закону фильтрации Дарси. Разгрузка из горизонтов трещинных вод осуществляется в речную и балочно-овражную сеть (рис. 1) либо в бортовые части впадин.

Рис. 1 - Схема залегания трещинных вод в гидрогеологическом массиве: 1 - рыхлые аллювиальные отложения; 2 - интрузивные породы; 3 - эффузивные породы; 4 - разрывное нарушение в зоне тектонического контакта; 5 - уровень трещинных вод; 6 - нижняя граница водоносных кристаллических пород; 7 - источник трещинных вод

В ряде случаев трещинные, воды могут иметь напорный характер. Появление напора обязано одной из следующих причин:

1) наличию непроницаемой либо слабопроницаемой покрышки в виде коры выветривания (в этом случае вся водоносная зона трещиноватости, кроме области питания, вмещает напорные воды);

2) неравномерному затуханию различных систем трещин с глубиной (тогда в верхней части трещиноватой толщи воды безнапорные, а в нижней приобретают гидростатический напор, хотя видимые водоупоры в разрезе пород отсутствуют).

Кристаллические породы гидрогеологических массивов обычно слабо взаимодействуют с фильтрующейся через них водой, имеющей низкую температуру. В связи с этим трещинные воды в подавляющем большинстве случаев - пресные.

Жильно-трещинные и жильные воды. Особо важную категорию подземных вод в трещиноватых породах, как гидрогеологических массивов, так и бассейнов пластового типа составляют жильные и жильно-трещинные воды, связанные с зонами тектонических нарушений и разломов. Наиболее широко тектонические разрывы распространены в горно-складчатых областях, реже на древних кристаллических щитах и обнаженном фундаменте платформ. Имея тектоническую и гравитационную природу, такие разрывы представлены открытыми либо заполненными рыхлым и обломочным материалом каналами (жилами), сопровождающимися мощными зонами дробления, брекчирования пород с интенсивной оперяющей трещиноватостью. Жильный характер водовмещающего коллектора предопределяет специфику питания, движения и разгрузки подземных вод. В связи с этим зоны разломов образуют особый тип гидрогеологических резервуаров.

Жильно-трещинные и жильные воды чаще всего формируют линейно-вытянутые и относительно неширокие потоки. Преимущественно это напорные (восходящие) воды, движущиеся с больших глубин и обладающие значительными ресурсами. Сохраняя гидростатическую природу напора, жильно-трещинные воды во многих случаях имеют турбулентный характер движения и в очагах разгрузки выводятся на поверхность групповыми источниками с огромным дебитом (до нескольких м3/с), либо переливаются в перекрывающие рыхлые отложения.

Трещинные грунтовые воды содержатся в верхней наиболее трещиноватой зоне изверженных (интрузивных и эффузивных) пород. В горно-складчатых областях трещинные воды встречаются в пределах распространения интрузивных массивов и покровах эффузивных пород.

Распределение трещин в породах в одних случаях бывает без видимой закономерности, а в других отмечается их ориентированность в тех или иных направлениях. В верхней зоне трещиноватых пород трещины обычно связаны между собой, и трещинные воды, как правило, образуют здесь единую гидравлическую систему.

По характеру залегания подземные воды трещинных коллекторов и трещинно-жильных зон разломов подразделяются на безнапорные и напорные (артезианские). По структурной приуроченности они классифицируются по типам коллекторов: гидрогеологическим массивам, зонам глубинных разломов или иных тектонических сопрягающих элементов, вулканическим покровам и потокам, а также фундаменту артезианских бассейнов и склонов.

Формирование химического состава грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости определяется двумя основными факторами: 1) короткими (местными) путями фильтрации и в целом высокими скоростями движения грунтовых вод; 2) отсутствием, как правило, в верхней зоне массивов скальных пород легкорастворимых минеральных соединений. В этих условиях формируются преимущественно ультрапресные и маломинерализованные (до 150-200 мг/л, реже более) фунтовые воды гидрокарбонатного кальциевого (кальциево-магниевого, реже кальциево-натриевого) состава. Воды сульфатного и хлоридного состава с минерализацией до 2,0-3,0 г/л и более могут формироваться в зоне экзогенной трещиноватости гипс-ангидритовых и интенсивно загипсованных пород. В отдельных случаях в зоне экзогенной трещиноватости (Южный Урал, Аравийская пустыня и др.) возможно формирование CI-Na, S 0 4 , CI-Са, Na подземных вод с минерализацией до 10-30 г/л и более. Наличие этих вод может быть связано с процессом континентального засоления при разгрузке грунтовых вод испарением, с участками восходящей разгрузки более глубоких трещинных вод и др. При распространении в верхней части разреза засоленных отложений (соленосный флиш Карпатской складчатой области) непосредственно в верхней зоне возможно формирование хлоридных вод с минерализацией до 50-70 г/л и более. При наличии полиметаллического оруденения трещинные воды верхней зоны могут содержать Fe, Mn, Zn, Pb в концентрациях до 10 мг/л и более.

1.3 Подземные воды трещинно - карстовых коллекторов

Карстовыми, или трещинно-карстовыми, называются свободные (гравитационные) подземные воды, связанные с горными породами, скважность которых наряду с трещиноватостью (реже пористостью) определяется наличием карстовых пустот, образующихся в результате растворения минерального скелета горной породы подземными водами.

Форма и размеры подземных карстовых пустот могут быть различными: от мелких пустот (каверн) диаметром 2-3 мм и расширенных участков трещин до пещер и крупных подземных гротов. Практически во всех случаях процесс подземного карстообразования развивается унаследовано, усиливая (усугубляя) уже имеющуюся трещинную или поровую скважность минерального скелета породы.

В связи с этим процессы карстообразования (подземные формы карста) наиболее интенсивно протекают на участках, характеризующихся относительно более высокими значениями скоростей и расходов подземных потоков, и, как правило, достаточно резко затухают с увеличением глубины залегания.

Условия залегания трещинно-карстовых вод определяются характером закарстованности массива и режимом уровней грунтовых вод.

Питание трещинно-карстовых вод осуществляется за счет инфильтрации (инфлюации) атмосферных осадков и за счет поглощения поверхностных вод. Формирование и распределение величин атмосферного питания грунтовых трещинно-карстовых вод, в еще большей степени, чем грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости определяются типом строения верхней части гидрогеологического разреза.

Наиболее благоприятные условия формирования быстрого (инфлюационного) питания характерны для участков открытого поверхностного распространения интенсивно закарстованных пород. В пределах таких участков большая часть (до 60-70% и более) атмосферных осадков, за вычетом испарения, расходуются на формирование инфильтрационного питания трещинно-карстовых вод (силурийское плато, Крымская яйла и др.). Практически столь же благоприятны условия питания на участках, где закарстованные породы перекрыты только песчаными, песчано-гравийными и другими высокопроницаемыми отложениями. Наименее благоприятные условия и низкие значения инфильтрационного питания характерны для участков, где закарстованные породы перекрыты значительными по мощности слабопроницаемыми отложениями.

Движение грунтовых трещинно-карстовых вод в общем случае направлено от центральной части массива (междуречья) к дренирующим понижениям. Однако структура потоков трещинно-карстовых вод может быть весьма сложной в связи с наличием зон локальной интенсивной закарстованности, блоков или участков слабо закарстованных пород, характером распределения карстовых зон в разрезе и т.д.

Разгрузка трещинно-карстовых вод осуществляется в виде многочисленных родников, в том числе субаквальных, а также рассредоточение через аллювиальные, аллювиально-озерные и другие рыхлые отложения. Именно для участков разгрузки трещинно-карстовых вод характерны крупные одиночные или групповые выходы, дебиты которых могут достигать десятков кубометров в секунду.

Несмотря на наличие многочисленных, в ряде случаев достаточно крупных источников, родниковая разгрузка составляет обычно только часть (менее 50%) суммарного расхода, так как основная часть разгрузки трещинно-карстовых вод часто происходит ниже уреза дрен.

Химический состав и минерализация грунтовых и неглубоко залегающих напорных трещинно-карстовых вод практически всегда определяются составом карстуюшихся горных пород. Карбонатные горные породы до глубин 150-200 м, в отдельных случаях до 500-800 м, в интенсивно расчлененных горных районах до 1000-1500 м (Зайцев, 1986) содержат гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией менее 1,0 г/л. В глубоких частях разреза (1500-2000 м и более) в связи с наличием (сохранением) легкорастворимых хлоридных соединений, седиментогенных поровых растворов и рядом других причин, карстующиеся горные породы обычно содержат высокоминерализованные подземные воды и рассолы (до 100-300 г/л и более) хлоридного натриевого, натриево-кальциевого состава, часто с повышенными содержаниями I, Вг, В, H2S, СО2, Не, Rn, и др.

Гидродинамический режим трещинно-карстовых вод в зависимости от характера закарстованности массива, условий залегания подземных вод, физико-географических условий и других факторов может быть различным. В центральных относительно повышенных участках массива при залегании непосредственно с поверхности сильно закарстованных пород и наличии зон локального поглощения поверхностных вод и других участков интенсивного питания, амплитуды колебания уровня грунтовых вод могут достигать 15-20 м, в отдельных случаях 50-60 м и более. В связи с высокой проницаемостью среды быстрые подъемы уровня в периоды интенсивного питания после его прекращения сменяются столь же резкими спадами уровня. На относительно пониженных равнинных участках территории при значительной мощности перекрывающих рыхлых отложений колебания уровня грунтовых трещинно-карстовых вод в связи с регулирующей емкостью рыхлых отложений могут быть относительно небольшими (до 1-3 м реже более). Естественно, что в зависимости от местных условий (характер закарстованности, интенсивность питания, приток со стороны и др.) промежуточных случаев режима уровней карстовых вод может быть достаточно много.

Изменения химического состава, минерализации и температуры трещинно-карстовых вод в целом связаны с режимом уровней и дебитов источников. Наиболее заметные изменения характерны для участков локального интенсивного питания карстовых вод и определяются температурой инфильтрующихся вод, наличием и составом загрязнения поверхности земли, температурой и химическим составом речных вод при их интенсивном поглощении и др. В глубоких частях массива (зона постоянного насыщения) и тем более в пластовых условиях при глубинах залегания до 250-300 м и более для трещинно - карстовых вод обычно не характерны заметные изменения температуры, минерализации и химического состава.

1.4 Глубинные воды

В существующих классификациях все подземные воды, кроме безнапорных, принято называть артезианскими, подразделяя их далее но зонам с различной интенсивностью водообмена. Логичней к артезианским относить воды, находящиеся лишь под гидростатическим напором, так как существуют подземные воды и с совершенно иными источниками напора и питания. Достоверно установленное ныне широкое распространение таких вод оправдывает их выделение в самостоятельную категорию под названием «глубинных вод».

Универсальные критерии, особенно качественные, для распознавания глубинных вод пока дать нельзя: необходимо учитывать всю совокупность их характерных признаков. Глубинные воды - понятие не генетическое. Основой для диагностики этих вод служит главным образом избыточное пластовое давление, значительно превышающее величину гидростатического напора, что объясняется процессами уплотнения осадков (элизионное питание), геотектоническими напряжениями, подтоком флюидов из мантии (эндогенное питание) и рядом других причин.

Различия в геологическом строении районов распространения и факторов напорности глубинных вод обусловливают их деление на воды:

1) бассейнов пластовых вод;

2) кристаллического фундамента, в том числе древних щитов;

3) различного рода разломов глубокого заложения в тектонически активных областях.

В первом случае, а отчасти и во втором, преобладают пассивные причины (гравитация, пластичность пород, присутствие углеводородов и т. д.), в третьем - колоссальные эндогенные силы. Соответственно, на противоположных полюсах будут находиться воды с элизионным и эндогенным питанием.

Наиболее типичные случаи распространения и проявления глубинных вод характерны для бассейнов пластовых вод. Глубинными являются, например, основная масса вод гидрогеодинамической зоны весьма затрудненного водообмена, воды нефтяных и газовых залежей.

Для скважин, вскрывающих глубинные воды, характерен пульсирующий режим излива. Дебит их обычно быстро, реже постепенно, уменьшается вследствие релаксации факторов пластового давления. Такой режим излива присущ рассолам упомянутых (Балыхтинской и Омолойской) скважин Сибирской платформы. Типичен он и для рассолов юрской галито-ангидритовой толщи в Средней Азии, после вскрытия которых на глубинах 2-3 км происходило фонтанирование с дебитом до 1000-8500 м3/сут (Соколовский, Седлецкий, 1970). Общим для глубинных рассолопроявлений является быстрое сокращение дебита и ограниченность периода самоизлива (от 3,5 месяца до нескольких суток). Глубина встречаемости рассматриваемых вод может изменяться весьма существенно.



Рис. 2 - Гидрогеодинамические аномалии в песчано-глинистых палеоген-меловых отложениях Восточно-Предкавказского артезианского бассейна по данным И.Г. Киссина (1967). Стрелками у знаков скважин показаны пьезометрические уровни вод (цифры у стрелок - величина напора, абс. отм.)

Высоконапорные глубинные воды в недрах кристаллического фундамента платформ и древних щитов установлены при сверхглубоком бурении. Они вскрыты Миннибаевской скв. 20000 на Татарском своде в гранито-гнейсах на глубине 4,7-5,1 км (более чем на 3 км ниже подошвы осадочного чехла) и представлены хлоридными кальциевыми рассолами с минерализацией 333 г/л (Муслимов и др., 1977).

Весьма своеобразны глубинные воды различных разломов глубокого заложения, рифтовых зон, областей современного вулканизма и вообще территорий с активным проявлением эндогенной энергии. Это обычно гидротермы (рис. 3). Высокую температуру в данных условиях могут иметь и воды зоны интенсивного водообмена, но глубинные выделяются по качественным показателям и гидрогеодинамическому режиму.

В формировании ресурсов глубинных вод участвуют воды различного происхождения. В соответствии с особенностями палеогидрогеологического развития различных регионов могут преобладать воды той или иной генетической категории, но чаще всего они являются полигенетическим образованием. Занимая самые нижние горизонты, глубинные воды, в соответствии с нормальной гидрогеохимической зональностью, обычно минерализованные, а состав их чаще всего хлоридный. Более того, они могут быть предельно насыщенными (минерализация свыше 500 г/л), как, например, межсолевые рассолы Ангаро-Ленского бассейна. Очень часто глубинные воды содержат в повышенных количествах ряд макро- и микрокомпонентов (редкие щелочи, бром, фтор, стронций, кальций, тяжелые металлы, кремнезем).

Время существования в замкнутых системах аномально высоких давлений глубинных вод относительно невелико. Наблюдаемые ныне и наиболее изученные аномалии в бассейнах пластовых вод появились, вероятно, недавно - не позднее неоген-четвертичного времени. Их выравнивание происходит, по расчетам В. Ф. Липецкого (1981), за несколько миллионов лет, а по данным других исследователей, они нивелируются за сотни и даже десятки тысяч лет. Благоприятные условия для возникновения и наиболее продолжительного сохранения аномалий существуют в относительно молодых бассейнах пластовых вод. Напротив, с увеличением возраста и степени литификации осадков возможности для этого уменьшаются. Однако под действием неотектонических подвижек они могут возникать периодически в том или ином месте геологического пространства. По существу, глубинные воды испытывают воздействие повышенных напряжений в целом беспрерывно.



Рис. 3 - Схема возможного формирования глубинных вод при участии магматических газово-жидких растворов [Уайт, 1965]. 1 - жидкая, 2 - газовая фаза; 3 - направление движения флюидов (в конвекции участвуют и метеогенные воды)



ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПОИСКОВО-РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

месторождение водозабор артезианский бассейн

Гидрогеологические работы по поискам и разведке месторождений подземных вод рассматривают как сложный научно-технический процесс, позволяющий с помощью методических и технических приемов выявить месторождения, изучить условия формирования подземных вод, оценить их эксплуатационные запасы и обосновать промышленное освоение.

Поиски и разведка охватывают два тесно связанных между собой понятия: а) методику поисков и разведки месторождений; б) методику проведения основных видов гидрогеологических работ.

Первое понятие включает такие важные методические приемы, как обоснование стадийности в изучении объекта, выбор под разведку продуктивного водоносного горизонта, обоснование глубины разведки месторождения, выбор способов расположения в плане поисковых и разведочных скважин, расстояний между разведочными поперечниками и между скважинами в каждом разведочном поперечнике, системы и технологии бурения гидрогеологических скважин, рациональной схемы водозаборного сооружения для данных конкретных условий и т. д.

Методика проведения основных видов гидрогеологических работ включает методику проведения съемочных работ и опытно-фильтрационных работ, стационарных наблюдений за режимом подземных и поверхностных вод, геофизических исследований, балансово-гидрологических работ, санитарно-гигиениче-, ских исследований и т. д. В теории и практике изучения различных типов месторождений подземных вод действуют общие принципы поисков и разведки, суть которых представлена ниже.

2.1 Основы методики поисков

Общие поиски. Поисковые работы могут проводиться для оценки:

1) общих перспектив и эксплуатационной возможности отдельных регионов, когда отсутствуют данные по конкретным водопотребите-лям; 2) общей эксплуатационной возможности региона в целом в условиях конкретного водопотребителя проектируемых или действующих объектов. На основании выполненных работ подстадии общих поисков должны быть: а) представлены характеристики общих гидрогеологических условий района и общих условий формирования естественных и эксплуатационных запасов подземных вод; б) выделены перспективные площади и продуктивные водоносные горизонты; в) дана в предварительном виде количественная оценка прогнозных эксплуатационных запасов; г) обоснована постановка дальнейших исследований.

На стадии общих поисков должны быть собраны и систематизированы материалы предыдущих исследований по региону, характеризующие геологическое строение, гидрогеологические условия, режим поверхностного стока, прогнозная оценка запасов региона.

Литологический критерий имеет существенное значение для оценки возможности обнаружения на площади исследований месторождений трещинно-карстовых вод в карбонатных породах, поэтому распространение на площади поисковых работ карбонатных пород, которые могут быть отмечены на геологической карте, является надежным критерием, позволяющим предположить наличие месторождений трещинно-карстовых вод.

Нередко на площади развития карбонатных пород могут формироваться аналоги «слепых рудных тел» - трещинно-карстовые воды, не имеющие естественных выходов на поверхность в виде родников. В таких условиях подземные воды имеют скрытый подземный сток в сторону погружения водовмещающих карбонатных пород, поэтому при гидрогеологической оценке площади распространения карбонатных пород не всегда следует ориентироваться только на поисковый гидрогеологический признак -выход родников.

Для выявления на площади поисково-съемочных работ закрытых артезианских бассейнов горно-складчатого типа большое значение имеют геолого-структурный и стратиграфический поисковые критерии. Геолого-структурный критерий определяет условия образования складчатых форм, благоприятных для формирования в пластах-коллекторах водоносных горизонтов.

К таким благоприятным складчатым формам следует отнести синклинальные складки и моноклинальные структуры, в разрезе которых принимают участие рыхло-обломочные или карбонатные породы с высокими коллекторскими свойствами.

В ходе поисково-съемочных исследований большое значение приобретает стратиграфический поисковый критерий. В процессе гидрогеологических работ была отмечена приуроченность некоторых очень мощных водоносных горизонтов к определенным стратиграфическим горизонтам, имеющим широкое региональное распространение.

Использование этих критериев при геологическом картировании позволило установить площадь распространения При-ташкентского артезианского бассейна. Буровая разведка впоследствии полностью подтвердила этот прогноз.

В процессе поисково-съемочных работ могут быть использованы тектонические поисковые критерии, выражающие оценку гидрогеологических условий зон крупных тектонических нарушений, с которыми часто связано формирование месторождений трещинно-жильных вод.

Для выявления месторождений трещинно-жильных вод геолого-структурный критерий целесообразно применять в совокупности с литологическим критерием и гидрогеологическими поисковыми признаками. Очень часто выход на поверхность трещинно-жильных вод в виде родников фиксирует наличие линейно-вытянутых по простиранию зон тектонических нарушений. Такие зоны в некоторых случаях могут быть обнаружены с помощью чисто гидрогеологических признаков.

Поскольку поисковые критерии представляют собой такие природные факторы, которые прямо или косвенно указывают на возможность обнаружения в данных условиях месторождений подземных вод, к поисковым критериям можно отнести и некоторые геофизические аномалии. Например, при поисковых исследованиях на месторождениях трещинно-карстовых вод такие аномалии могут локализоваться в зонах усиленной закарстованности карбонатных пород, с которыми обычно связана более высокая степень водообильности.

При поисковых исследованиях не всегда можно провести строгие границы между поисковыми критериями и признаками, поэтому в процессе поисково-разведочных работ целесообразно применять их совместно.

Не менее важным для прогнозной оценки является искусственный гидрогеологический поисковый признак - данные буровых скважин, пройденных ранее на площади поисков, или гидрогеологические данные по обводненности действующих шахт, карьеров, водозаборов. Большую роль при этом играют дебиты фонтанирующих скважин, которые могут явиться надежными индикаторами для выявления напорных горизонтов. Устойчивый режим и большие дебиты фонтанирующих скважин могут указывать на обеспеченность напорных вод естественными ресурсами.

Исключительно ценные данные для оценки поисковой площади можно получить на действующих водозаборах или родниках, поэтому в процессе поисковых работ следует тщательно собирать гидрогеологические материалы по всем ранее пробуренным скважинам и концентрированным водозаборам с тем, чтобы использовать гидрогеологические данные по опыту эксплуатации для прогнозной оценки всей площади поисков.

Существенное значение в прогнозной оценке месторождений подземных вод имеет гидрологичский поисковый признак.

Наличие на площади поисков, особенно на площади возможного обнаружения месторождения, речной сети с постоянно действующими водотоками и активной формы гидравлической связи подземных вод с поверхностными позволяет предположить, что на площади поисков могут быть выявлены участки, в контурах которых возможно строительство водозаборов инфильтрационного типа - водозаборов, расположенных непосредственно в области питания подземных вод. Таким образом, изучение поверхностных вод может иметь исключительно большое значение в промышленной оценке месторождений подземных вод.

Наличие гидрографической сети на площади поисков, позволяющей выяснить режим поверхностного стока (постоянно или временно действует поверхностный поток), как изменяется поверхностный сток рек по сезонам года и в многолетнем разрезе.

Отсутствие на площади поисков гидрографической сети может резко снизить ценность оконтуренных месторождений подземных вод.

К поисковым гидрогеологическим признакам можно также отнести так называемый признак природных аналогов. Перед проведением поисковых исследований собираются все гидрогеологические данные по опыту разведки и эксплуатации подземных вод в аналогичных геолого-гидрогеологических условиях. Пользуясь данными опытной эксплуатации, методом природной аналогии можно правильно выполнить прогнозную оценку вновь выявленных месторождений подземных вод на поисковой площади.

Использование в совокупности поисковых критериев и признаков способствует более целеустремленному ведению поисковых работ, направленных на обнаружение месторождений подземных вод промышленного типа.

2.2 Основы методики разведки

Разведка подземных вод преследует главную цель - дать промышленную оценку месторождения (количественную и качественную оценку запасов) и получить все необходимые гидрогеологические данные для составления проектов и выбора режима эксплуатации.

Метод - это способ познания, способ обнаружения и изучения месторождений подземных вод. Поэтому этот термин целесообразно присваивать таким разведочным гидрогеологическим мероприятиям, которые позволили бы обосновать решение главной задачи разведки. Во-вторых, понятие «метод разведки» должно содержать нечто сопоставимое и приложимое к любому процессу разведки, независимо от сложности и разнообразия применяемых технических средств.

Методами разведки можно называть только такие способы изучения месторождения, которые позволяют делать некоторые выводы о точности исследований.

Методика разведки месторождений подземных вод - понятие вполне определенное, включающее в себя применение целого комплекса производственных и научно-технических средств, позволяющего прямо и непосредственно установить контуры месторождения (в плане и разрезе), количество и качество запасов и условия их эксплуатации.

В комплекс могут входить основные и вспомогательные производственные и научно-технические средства.

К основным следует отнести такие средства, которые непосредственно определяют промышленную ценность месторождения - бурение скважин, количественное и качественное опробование, наблюдения за режимом подземных вод и другие.

К вспомогательным - технические средства, применение которых способствует обнаружению месторождения, ускоряет проведение основных мероприятий: геофизические методы исследований, методы моделирования, балансово-гид-рометрические методы исследований и др.

Учитывая эти положения, главная задача разведки подземных вод может быть решена следующими основными методами.

1. Метод размещения на площади месторождения системы гидрогеологических скважин, расположенных по линии разрезов (профилей).

Разведка методом гидрогеологических разрезов применима для подавляющего большинства ранее выделенных типов месторождений подземных вод.

Ориентировка разведочных гидрогеологических профилей на площади месторождения должна быть такой, чтобы по данным профилей можно было получить достаточно полную информацию и выделить достаточно отчетливо и достоверно условия и форму залегания продуктивного водоносного горизонта, площадь его распространения, т.е. разведочные профили должны выяснить и решить одну из основных задач - выявить граничные условия потока в плане и разрезе.

2. Разведка месторождения с помощью бурения гидрогеологических скважин, размещенных на площади участка примерно по сетке, например в шахматном порядке (преимущественно в стадии предварительной разведки).

Основная идея размещения разведочных скважин на изучаемом месторождении по сетке заключается не только в выявлении в целом контура месторождения в плане и разрезе, но и в выявлении отдельных благоприятных участков-ячеек, на площади которых впоследствии можно организовать рассредоточенные водозаборные сооружения.

3. Разведка месторождений подземных вод комбинированной системой размещения буровых скважин - по гидрогеологическим разрезам (профилям) и по сетке между разрезами.

4. Метод проведения комплекса пробных и опытных откачек воды из гидрогеологических скважин с целью изучения количественной характеристики гидрогеологических параметров продуктивного горизонта, а также качества подземных вод.

Этот метод количественного и качественного опробования водоносного горизонта позволяет получить необходимые исходные гидрогеологические данные, на основании которых впоследствии производятся расчеты по оценке эксплуатационных заласов подземных вод.

5. Метод проведения длительных групповых опытно-эксплуатационных откачек воды из разведочных скважин, по данным которых обычно производится непосредственная количественная оценка эксплуатационных запасов подземных вод..

6. Метод изучения режима дебита родников или фонтанирующих скважин, позволяющий произвести непосредственно количественную и качественную оценку эксплуатационных запасов подземных вод.

2.3 Принципы и стадии разведочных работ

В основу разведки месторождений подземных вод положены общие принципы, поскольку, в конечном счете, разведка объектов сводится к выявлению промышленной их ценности.

Основная цель разведки месторождений преследует решение трех главных задач:

определение количества эксплуатационных запасов подземных вод, формирующихся на площади месторождения или его отдельных участках;

изучение качества подземных вод и его изменения в процессе будущей эксплуатации;

определение гидрогеологических и технических условий эксплуатации (в том числе создание зон санитарной охраны).

Эти задачи в своей совокупности и определяют общие принципы и основные положения разведки месторождений.

Принцип последовательного приближения. Сущность принципа - в постепенном наращивании знаний о разведываемом месторождении по определенным этапам его изучения. Этот принцип по своему содержанию непосредственно связан с требованием стадийности разведки.

В результате всех стадий разведки необходимо получить исчерпывающие исходные гидрогеологические данные для конкретного проектирования эксплуатации месторождения.

Принцип полноты исследований. Этот принцип разведки содержит несколько основных требований. Первое требование выражается в необходимости изучения и оценки не только отдельных участков, но и всей площади разведываемого месторождения. Он определяет наиболее полное выявление эксплуатационных запасов подземных вод изучаемой территории.

Принцип равномерности изучения месторождения. Этот принцип предусматривает такое расположение разведочных выработок, которое было бы целесообразным для равномерного изучения гидрогеологической неоднородности месторождений. Что обеспечит правильную оценку площади отдельных участков детальной разведки. Буровые скважины и опытные откачки должны размещаться с учетом различной степени изменчивости свойств водоносного горизонта в разных направлениях с последующим сгущением выработок на наиболее перспективной площади.

Принцип максимальной гидрогеологической информации при разведке. Основное требование и содержание этого принципа заключается в том, чтобы размещение поисково-разведочных профилей на площади месторождения в период предварительной разведки производилось с учетом получения наибольшей информации о геологическом строении и гидрогеологических условиях изучаемого объекта.

Принцип экономической целесообразности. Этот принцип исходит из современных требований социалистического хозяйства-экономии материальных и трудовых затрат при разведке месторождений подземных вод, и в первую очередь трудоемких и дорогостоящих буровых работ и опытных откачек.

В соответствии с этими условиями количество разведочных выработок и объем всех видов исследований на площади месторождения или его отдельных участков должено быть минимальным, но достаточным для решения главной задачи разведки - промышленной оценки объекта.

Несколько сложнее осуществить принцип наименьшей затраты времени. В осуществлении принципа наименьших затрат времени решающая роль принадлежит правильной организации гидрогеологических работ. Хорошая и четкая организация этих работ, своевременное обеспечение полевых партий техническими средствами и применение современных методов разведочных работ может позволить успешно завершить разведку месторождения в короткое время.