Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гидрогеодинамика глубоких горизонтов платформ

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеодинамика глубоких горизонтов платформ"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет Кафедра гидрогеологии

УДК 556.33.62. На правах рукописи

Дюнин Валерий Иванович

ГИДЮГЕОДИНАМИКА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ ПЛАТФОРМ

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степе™ доктора геолого-минералопиеских наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова.

Научный консультант: Доктор геолого-минералогических наук, профессор В.А.Всеволожский

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических наук, профессор С.С. Бондаренко Доктор геолого-минералогических наук, профессор И. С. Зекцер Доктор геолого-минералогических наук, профессор А.И.Коротков

Ведущая организация: ГЕОИНФОРМСИСТЕМ

• О ' ' • •1 г; .......

Зашита состоится 'О 1998 г. на заседании Специализировш

нога совета Д.053.05.27 при Московском Государственном Университете им.М. I Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, г.Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, геол< гический факультет, ауд. 415

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультет

МГУ.

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

Л.С.Гарагуля

Актуальность проблемы. С глубокими горизонтами артезианских бассейнов слоистых систем платформ связана подавляющая часть нефтегазовых месторождений и значительные запасы промышленных, термальных и минеральных, вод. В послед-гае годы глубины скважин 4.5-5 км обычное явление, все чаще бурят скважины глубиной до 7 км. Известно, что глубокие воды играют значимую роль в формировании и разрушение месторождений нефти и газа. В связи с этим изучение глубоких подземных вод приобретает особое значение, как в научном, так и в практическом отношении. Решение проблемы формирования глубоких подземных вод позволило бы решил, многие вопросы практической геологии и разработать гидрогеологические критерии поисков месторождений полезных ископаемых, и прежде всего углеводородов. Однако в настоящее время проблема формирования глубоких подземных вод далека от своего решения. Связано это прежде всего со сложностью объекта исследования: глубокие подземные воды обладают переменной в пространстве плотностью, их движение осуществляется в упруго-деформируемых средах и сопровождается фазовыми переходами в системе раствор - газ - города. Нерешенными научными проблемами остаются: движутся или не движутся глубокие воды и если движутся, то под действием каких :ил; положение в пространстве областей питания, движения и разгрузки; роль вмещающих пород (включая глинистые) в формировании глубоких вод; палеогидрогеологические аспекты формирования глубоких вод; гидродинамическое взаимодействие $1ундаменга и осадочного чехла; геодинамика и формирование глубоких вод и др.

Подчеркнем, что зга проблема является не только гидрогеологической, но в значительной степени геологической. Без привлечения достижений смежных геологических наук о Земле (истории геологического развития, геодинамики, литологии, минералогии, механики грунтов, термодинамики и др.) решить ее практически невозможно. Именно по этой причине для ее успешного решения необходим комплексный подход.

Целью исследования являлось изучение гидрогеодинамики глубоких горизонтов слоистых систем платформ.

Задачи исследования:

- анализ существующих методов приведения пластовых давлений и обоснова-яие методов, используемых в исследованиях автора;

- изучение поля пластовых давлений (гидродинамического потенциала) в естественных и в отдельных случаях нарушенных условиях;

- оценка роли периферии артезианских бассейнов на формирование глубоких подземных вод;

- изучение процессов формирования фильтрационных свойств пород на больших глубинах и их изменение во времени и пространстве;

- изучение гидрогеохимического и температурного полей;

- изучение условий формирования и сохранения аномально высоких пласто-зых давлений; *

- оценка роли элизионных процессов на формирование глубоких подземных

вод;

- оценка роли современных геодинамических процессов на формирование поля пластовых давлений;

- изучение гидродинамической связи между фундаментом и осадочным чехлом и разработка принципиальной модели движения глубоких подземных вод.

Научная новизна исследований:

- теоретически и результатам моделирования на примере ЗападноСибирского, Восточно-Предкавказского и Бухаро-Карпшнского артезианских бассейнов путем анализа изменения латеральных расходов и латеральных градиентов пластовых давлений вдоль линий тока доказано отсутствие влияния периферии артезианских бассейнов на формирование глубоких вод. Практически весь подземный сток сформированный в региональных областях питания, разгружается в непосредственно? близости от них. На основе анализа вертикальных и горизонтальных фильтрационные сопротивлений доказывается невозможность существования потоков подземных вол от региональных областей питания к региональным областям разгрузки. В связи с этим показывается, что формирование глубоких вод связано с внутренними, главным образом, эндогенными процессами;

- количественно на тестовых задачах и двух артезианских бассейнах методом моделирования доказано отсутствие значимой роли глинистых пород в формировании поля пластовых давлений и невозможности формирования в глинистых отложениях 1раницы раздела с разнонаправленными движениями отжимающихся поровых растворов;

- на основе сопоставления скоростей геологических процессов и скоростей перераспределения пластовых давлений обоснованы основные процессы формирования аномально высоких пластовых давлений;

- путем анализа поля пластовых давлений на хорошо изученных структурах (около 200) на четырех артезианских бассейнах, отличающихся друг от друга многими признаками, доказано пластово-блоковое строение глубоких горизонтов и существование непроницаемых или слабопроницаемых границ различного генезиса между блоками. Блоками могут быть как отдельные структуры, так и их части. Пластово-блоковое строение подтверждается также существенной неоднородностью теплового н гидрохимического и др. полей;

- на основе обобщения большого объема опубликованной информации делается вывод о преобладании вертикальной миграции над латеральной в глубоких водоносных горизонтах;

- утверждается, что на больших глубинах все породы независимо от их лито-логического состава (включая глинистые) в различные периода геологического развития могут быть проницаемы или непроницаемы. Фильтрационные свойства на больших глубинах определяются, в основном трещиноватостью;

- дается типизация границ по генетическому признаку, без существования которых невозможно пластово-блоковое строение глубоких горизонтов;

- предлагается принципиальная модель формирования глубоких подземных вод, которая объединяет в себе тектоническую активность регионов, гидротермальную

деятельность, развитие термодинамических процессов, обуславливающих фазовые переходы в упруго-деформируемой среде, которые в свою очередь формируют резкую неоднородность емкостных и фильтрационных свойств вмещающих пород и непроницаемые (или слабопроницаемые ) границы, а также различные аномалии (гидродинамические, гидрохимические, газовые, тепловые, минералогические, палинологические и др.), которые являются отличительной чертой глубоких горизонтов. Методы исследования. 1) сбор, анализ и обобщение фондовых и опубликованных материалов по гидродинамическому, гидрогеохимическому опробованию глубоких скважин; тектонике (геодинамике), палинологии, фильтрационным свойствам и др. материалы; 2) широко использовались аналитические расчеты и методы моделирования, для изучения гидрогеодинамических условий на конкретных объектах (плоскопространственные и плоские в разрезе задачи) и для решения тестовых задач для оценки влияния тех или иных процессов на формирование глубоких вод (например, для изучения распределения порового давления в уплотняющихся осадках, оценка влияния изменения напряженного состояния на поле пластовых давлений и др.); 3) комплексный анализ всего имеющего материала по опробованию глубоких горизонтов (поля пластовых давлений, температур и концентраций); 4) построение специальных карт и разрезов с использованием метода приведения пластовых давлений с оценкой погрешности приведения, горизонтальной составляющей фильтрационной силы (по А.Е. Гуревичу), "прямой метод" (оценка латеральных градиентов при замерах пластовых давлений, температур и концентраций на равных глубинах). 5) значительное внимание уделялось анализу исходной информации н оценке степени ее достоверности.

Практическая значимость работы. Полученные принципиально новые результаты о гидрогеодинамике глубоких горизонтов платформ могут использоваться для оценки перспектив нефтегазоносности артезианских бассейнов, в частности для Печорского бассейна, для которого по результатам моделирования построены послойные гидродинамические карты м-ба 1:200000. Результаты работы (наряду с существующими нефтепоисковыми признаками) могут использоваться для разработки методики целенаправленных поисков и разведочного бурения; при оценке запасов полезных ископаемых и, прежде всего месторождений нефти и газа. На основе новых представлений могут разрабатываться модели оптимальной эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Апробация и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались: на ГУ" научной отчетной конференции Геологического ф-та МГУ, 1971; Совещание "Гидродинамика глубоких структур", Ленинград, 1972; Международный симпозиум по фильтрации, Киев, 1976; Научная конференция аспирантов и молодых ученых МГУ, Москва, 1977; Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока, 1979,1985; 1У-й Международный геологический конгресс, Москва, 1984; на Ломоносовских чтениях, Москва, 1994-1997; Всероссийской геологической конференции и XII Геологической конференции Республики Коми (1993, Сыктывкар), Международной научно-практической конференции "Проблемы нефтегазогеологиче-ской науки и перспективы развития топливно-энергетического комплекса Туркмени-

стана". Ашгабат, 1996; Международная конференция "Новые идеи в геологии и reo химии нефти и газа". Москва, 1997. По теме диссертации опубликованы 36 работ, том числе одна монография.

Используемые материалы. В основу работы положены материалы более че! 20-ти летних исследований автора. При анализе гидрогеодинамических условий н конкретных объектах использовалась исключительно первичная информация, содер жащаяся в актах испытания скважин нефтяного рада, достоверность, которой оцени валась. Всего было использовано материалов по около 200 опробованных площади (структур, месторождений), несколько тысяч скважин по различным регионам Росси и СНГ. Широко использовалась обширная информация в опубликованной литературе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 1! глав, выводов и защищаемых положений. Содержит 308 страниц текста, 96 рисунков 28 таблиц, список литературы из 311 наименований.

Работа выполнена при научных консультациях профессора В. А. Всеволожско

го

Глава 1. Существующие представления о движущих силах и региональных особенностях гидрогеодинамики глубоких горизонтов.

Изучением гидрогеологии артезианских бассейнов вообще и гидрогеодинами кой в частности занимались многие исследователи: Н.К. Игнатович, В.Л. Личков Ф.А. Макаренко, М.А. Гатальский, И.К. Зайцев, А.Н. Каменский, A.A. Карцев, АИ Силин-Бекчурин, А.М. Овчинников, Е.В. Пиннекер, Н.И. Толстихин, В.А. Кротова И.С.Зекцер, В.А. Всеволожский, И.Г. Киссин, В.Ф. Дерпгольц, В.В. Колодий, AJB Кудельский, М.И. Зайдельсон, В.Н. Корценшгейн, Н.В.Роговская, Н.М. Крутиков А.Г. Арье, С.И. Смирнов, С.С. Бондаренко, А.Е. Ходьков, Г.Ю. Валуконис, В.А. Ки рюхин, С.А Шагаянц, Л.В. Боревский и мн. другие. Полный список исследователе] достаточно объемен и не может уместиться в рамках автореферата.

Многолетние исследования в этой области можно весьма условно система™ зировать следующим образом:

- по принципу движутся или не движутся подземные воды зоны весьма за медленного водообмена и если движутся, то, в каком направлении (инфильтрациошкх или компрессионное движение);

- по движущим силам: под действием градиента давлений, под действием силы тяжести - плотносгная конвекция; под действием подземного испарения или иногс удаления воды; на молекулярном уровне - диффузия или файлюация; под действием тектонических сил;

- по положению источников питания в пространстве - периферия или наиболее погруженные части артезианских бассейнов - элизионное питание, эндогенные процессы.

Объединяегтгсе точки зрения одно, но очень важной обстоятельство - все они предполагают гидродинамическое единство водоносных горизонтов и комплексов на всей площади их распространения, которое никогда и никем не доказывалось.

Глава 2. Методы изучения гидрогеодинамики глубоких горизонтов, подземных вод

Методы приведения пластовых давлений. Известно, что для оценки направлений движения между двумя или несколькими точками единственный метод, который можно использовать это метод приведения пластовых давлений. Это объясняется тем, что гидростатическое давление является мерой потенциальной энергии (зависит от высоты - положения плоскости сравнения). Сравнивать потенциальные энергии двух тел (в частности двух столбов жидкости в разных точках) можно только тогда, когда они расположены на одной плоскости. При изучении гидрогеодинамики пресных подземных вод зоны активного водообмена напоры также приводятся к одной плоскости. За плоскость сравнения в этом случае обычно принимается уровень моря. Направления движения оцениваются по напорам в абсолютных отметках. Изменение плотности при этом не учитывается в силу ее малых изменений в зоне активного водообмена. Наиболее обосновано и полно метод приведения давлений жидкостей с переменной плотностью для реальных объектов обоснован в работах А.Е. Гуревича, который использовался в наших исследованиях.

В связи с существующими и непрекращающимися дискуссиями о возможности (невозможности) использования метода приведения пластовых давлений, нами предлагается подход, позволяющий оценивать градиенты по фактическим данным с последующим их сравнением с направлениями градиентов, полученными с помощью приведенных давлений - прямой метод оценки направлений градиентов возможного движения глубоких вод переменной плотности.

Очевидно, что если имеются два или несколько замеров пластового давления в разных скважинах на одной и той же глубине, то не возникает вопроса об их приведении, т.е. в этом случае можно уверенно утверждать о наличии или отсутствии градиента между этими двумя скважинами (без учета технических ошибок при замерах пластовых давлений). Но так как абсолютно одинаковая глубина опробования практически не возможна, можно выбрать наиболее изученные интервалы разреза. Величина выбранных нами интервалов не превышала 20-30 м. Пренебрегая изменением плотности в таком узком интервале разреза можно говорить о наличии (отсутствии) градиента при перепаде давлений более 0,2-0,3 МПа. Такой же подход применялся к оценке горизонтальных градиентов концентраций и температур.

В наших исследованиях использовался в основном метод приведения пластовых давлений с оценкой погрешности приведения. Для оценки возможности использования того или иного метода приведения пластовых давлений на одном и том же фактическом материале использовались также различные модификации метода приведения: В частности, применительно к гидрогеологическим условиям Западной Сибири наряду с другими применялся метод попарно-последовательного приведения давлений? Для условий Восточного Предкавказья совместно с методом приведения с оценкой погрешности использовался метод расчета величины и направления вектора

фильтрационной силы по А.Е.Гуревичу. Там, где позволяла степень изученности, применялся прямой метод.

Методы, построения пьезометричеких карт. При изучении региональной гидрогеодинамики традиционно среди многих значений пластовых давлении на локальных структурах высокого порядка (которые в региональном плане являются одной точкой) выбирается одно-два значения пластовых давлений, которые усредняются или выбирается какое-либо значение по одной из нескольких скважин и затем интерполируются с такими же случайно выбранными точками на соседних структурах или даже через несколько структур. Выбор тех или иных значений пластовых давлений, как правило, не обосновывается, а выбирается исходя из концепций исследователя, что вносит значительный элемент субъективности при региональных построениях. Именно по этой причине региональные пьезометрические карты, построенные для одного и того же продуктивного горизонта, мало похожи друг на друга.

Такой подход, несомненно искажает реальную гидродинамическую ситуацию. Если при этом не учитываются геологические условия: наличие границ между структурами, тектонические нарушения, зоны выклинивания или фациального замещения и др., то достоверность региональных гидродинамических карт, построенных таким образом, вызывает серьезные сомнения.

Поэтому уже на первом этапе наших исследований стало ясно, что изучение региональной гидрогеодинамики невозможно без исследования гидродинамической ситуации на локальных хорошо изученных площадях с привлечением информации по гидродинамическому, гидрогеохимическому опробованию, геотермии, фильтрационным свойствам водовмещающих пород.

Такой подход - изучение ситуации на локальных структурах с последующим региональным обобщением - существенно отличается от применявшегося до сих пор. Он позволяет использовать весь фонд скважин, пробуренных и опробованных, максимально учесть геологическое строение, тектонические условия и др. т.е. осуществить комплексный анализ всей имеющейся информации. Такой подход позволяет получил, результаты, наиболее достоверно отражающие реальную природную ситуацию.

Изучение гидродинамических условий на отдельных площадях по всем объектам проводилось в масштабе 1:10 ООО - 1: 50 ООО.

Для однозначного ответа на вопрос с чем связано региональное падение пластовых давлений (напоров) подземных вод к центральным районам артезианских бассейнов необходимо строить ие только пьезометрические карты, но также гидродинамические схемы (ортогональная сетка напоров и линий тока) и схемы изменения латеральных расходов подземных вод по линиям тока (при наличии информации о фильтрационных свойствах водовмещающих пород).

Проведение линий (лент) тока на картах пьезометрической поверхности и осуществление гидродинамических расчетов (латеральных расходов на единицу ширины потока) позволяет принципиально по новому взглянуть на динамику краевых зон артезианских бассейнов и выявить особенности гидродинамической взаимосвязи глубоких подземных вод с верхним гидрогеологическим этажом и с поверхностью. Так, на гидродинамических схемах возможно выделение областей с замкнутым фор-

жированием подземного стока, исключающих возможность влияния краевых зон артезианских бассейнов на формирование глубоких подземных вод. Такая ситуация возникает при хорошо развитой речной сета, глубоко врезанных озер, дренирующая роль которых оказывается определяющей (юг Западной Сибири).

Кроме того, это позволяет подойти к выделению гидродинамических зон с различной интенсивностью водообмена: активного, замедленного и весьма замедлен-то го.

Схемы относительного изменения единичных расходов'подземных вод являются, по нашему мнению, наиболее удобной формой представления фактического материала и результатов соответствующих расчетов, т.к. достаточно полно характеризуют региональные закономерности изменения не только расходов подземных вод, но и "радиентов и скорости движения (при наличии информации о фильтрационных свой-лвах) и величины перетекания; позволяют сравнивать гидродинамические условия отдельных водоносных комплексов, находящихся в различных геолого-стругаурных условиях, оценивать взаимодействие водоносных комплексов в вертикальном разрезе, дают представление о времени водообмена и возможность для гидродинамического районирования артезианских бассейнов. Степень информативности таких схем значительно повышается в сочетании с графиками, отражающими региональные изменения расходов подземных вод в различных геоморфологических, геолого-струетурных и гидрогеологических условиях. Такие расчеты были проведены нами для Западносибирского, Восточно-Предкавказского и Бухаро-Каршинского артезианских бассейнов, краевые зоны которых достаточно хорошо изучены.

Методы моделирования широко использовались нами при решении различных задач: оценка времени сохранения аномально высоких пластовых давлений; распределение давлений в глинистых отложениях при их уплотнении (уравнение фильтрационной консолидации без учета ползучести скелета) для области с равномерно движущейся границей (увеличение геостатической нагрузки); распределение давления три изменении напряженного состояния (под действием геодинамических сил - тектонических напряжений). Перечисленные задачи решались в тестовой постановке с фак-горно-днапазонной оценкой.

Методы оценки направлений и величин вертикальных и горизонтальных гра-зиентов можно использовать лишь для отдельных хорошо изученных площадей, которые достаточно неравномерно расположены по территории регионов. Кроме того, что юлее важно, полученные этими методами результаты не позволяют получить пред-лавления о гидрогеодинамики слабо изученных территорий, получить пространственную картину распределения пластовых давлений и не дает возможности получил. региональные представления о гидрогеодинамики глубоких горизонтов.

В связи с этим нами для Печорского артезианского бассейна осуществлялось моделирование всего региона в целом и всего изучаемого разреза (многослойная плановая задача). Для Западно-Сибирского артезианского бассейна решалась плоская в разрезе задача с целью изучения перераспределения подземного стока в разрезе и для щенки роли периферии бассейна на динамику глубоких подземных вод. При этом не навилась цель получить точные количественные оценки (скорости, расходы, инген-

сивность гидродинамической связи между комплексами). Т. к., во-первых, в этом не необходимости, а во-вторых, это невозможно сделать по двум причинам: а) слабая неравномерная изученность по площади и разрезу; б) невысокая достоверность исход ной информации, что определяется задачами и условиями опробования, которые пр< водятся, как правило, лишь с целью поисков месторождений углеводородов.

Основной задачей моделирования являлось получение принципиально пр; вильного решения, не противоречащего имеющемуся фактическому материалу и ра< крывающего лишь основные закономерности региональной гидрогеодинамики глубс ких подземных вод.

Глава 3. К вопросу о роли региональных областей питания в формировании глубоких подземных вод и гидродинамическая зональность артезианских бассейнов

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев решение научных практических задач основывается на представлениях о существовании региональны; пщродинамически единых потоков глубоких подземных вод. В связи с этим пре; сгавляется необходимым рассмотреть вопрос о роли периферии артезианских бассет нов (региональных областей питания) на гвдрогеодинамику глубоких горизонтов. Ог нако на вопрос о том достаточной ли энергией обладает поток подземных вод, сфо{ мированный в обрамлении платформ, для совершения работы по преодолению гор! зонталыюго фильтрационного сопротивления на расстоянии в сотни и тысячи киле метров, а также для последующего преодоления вертикальных фильтрационных а противлений в пределах морских и океанических впадин (региональные области ра: грузки).

Соотношение вертикальных (Лг) и горизонтальных (Их, у) фнльтрационны сопротивлений по направлению движения подземных вод с учетом приращения о( ласти фильтрации при удалении от краевых областей артезианских структур запись ваются в ввде (в конечно-разносгаой форме):

Их, у = Дх,у/кт; Й2 = т</коДх,Ду 3.1

Где: т и то - соответственно мощность хорошо и слабопроницаемых отлож< ний; к и ко - коэффициенты фильтрации (проницаемости) хорошо и слабопроница< мых отложений; Дх,у - приращение области фильтрации по осям х и у.

В связи с постепенным приращением области фильтрации на некотором уде лении от границ региональных областей питания горизонтальные сопротивления ок зываются сопоставимыми с вертикальными.

Для простоты положим, что мощности коллектора и разделяющих слабопрс ницаемых отложений равны или пропорционально возрастают при удалении от кра< вых зон (любая разница в мощностях принципиального значения не имеет), а прош цаемость глинистых пород в 105 - 106 раз меньше проницаемости коллекторов. Тогд отношение фильтрационных сопротивлений запишутся:

Кх,у/Кг = (Дх/т)2* 10® * 105 3.2

Из 3.2 видно, что отношение фильтрационных сопротивлений возрастает (при прочих равных условиях) пропорционально квадрату расстояния от краевых зон артезианских бассейнов, Из этого соотношения также видно, что горизонтальные фильтрационные сопротивления превышают вертикальные на расстоянии от единиц до первых десятков километров в зависимости от мощности пород и соотношения проницаемости коллекторов и слабопроницаемых пород.

Таким образом, потоку подземных вод для совершения наименьшей работы легче преодолеть сопротивление слабопроницаемых пород, чем двигаться в направлении непрерывно возрастающего фильтрационного сопротивления по напластованию пород при их погружении к центральным частям артезианских бассейнов. Процесс перехода в область с преобладающим вертикальным направлением движения подземных вод закономерен и повсеместен, и его следует рассматривать как общую закономерность. Весь поток, сформированный в региональных областях питания, опосредованно через систему слабо проницаемых отложений и коллекторов попадает на поверхность в речную сеть и только потом в морские и океанические впадины с поверхностным стоком.

При изменение фильтрационных свойств коллекторов (как правило уменьшаются) и слабопроницаемых толщ в направлении погружения увеличивается работа, которую должен совершить латеральный поток на пути своего движения в с связи с этим расстояние, на котором вертикальные фильтрационные сопротивления будут меньше горизонтальных, сократится значительнее.

Сокращение расходов в одних случаях происходит плавно и постепенно, а в других - может испытывать значительные колебания на относительно небольших расстояниях. Характер изменения единичных расходов вдоль линии тока (как, в прочем, и градиентов) определяется при прочих равных условиях интенсивностью взаимосвязи водоносных горизонтов между собой и с поверхностью. Высказанное подтверждается моделированием и гидродинамическими расчетами, по результатам которых строились карты и графики изменения латеральных расходов по линиям тока в направлении периферия - центр артезианских структур.

К этому следует добавить наличие разрывных нарушений, нередко отделяющих платформы от горно-складчатых сооружений. Независимо от их гидрогеологической роли (проницаемые или непроницаемые) они всегда являются гидродинамической границей, препятствующей латеральному движению подземных вод.

Таким образом, изменение в соотношении вертикальных и горизонтальных фильтрационных сопротивлений, наличие разломов или крупных речных дрен (нередко связанными с разломами различного порядка) обуславливает закономерное сокращение расходов и скоростей движения глубоких вод при удалении от краевых зон артезианских структур.

Таким образом, есть основание утверждать, что значимая роль региональных областей питания проявляется лишь в относительно узкой полосе, а региональные потоки подземных вод (на сотни и тысячи километров) в слоистых системах не могут иметь места. Это явление закономерно и повсеместно и подтверждается расчетами для конкретных регионов.

На основе графиков изменения латеральных расходов (градиентов напора ит пластовых давлений) подземных вод показана принципиальная схема формирование подземных вод вдоль линии тока в направлении погружения водоносных горизонта (комплексов) от краевых зон артезианских структур к их наиболее погруженным рай онам, которая позволяет выделять зоны с различной интенсивностью водообмена: ак тивного, замедленного и весьма замедленного водообмены.

Граница между зонами активного и замедленного водообмена расположен; между областью с резкой деформацией потока и областью, где эти изменения нося-относительно плавный характер с уменьшением параметров потока в направленю внутренних погруженных частей артезианских структур.

Границу зон замедленного и весьма замедленного водообмена можно выде лил», исходя из следующих соображений. В некоторой точке пласта (вдоль линии то ка) эти расходы и скорости могут оказаться столь малыми, что будут сопоставимы а скоростями иных процессов, например, молекулярной диффузии. Эту границу условш можно считать границей зон замедленного и весьма замедленного водообмена. В на правлении линии тока она расположена там, где более 90% инфильтрационного пета ния разгружается.

Гидродинамическую зональность артезианских бассейнов в плане и разрез; можно представить в виде двух областей с резко деформированными потоками под земных вод, разделенных областью с плавным изменением расходов градиентов I скоростей. Деформация потока подземных вод в зоне активного водообмена определи ется при прочих равных условиях влиянием поверхностных факторов: климат, рельеф густота и глубина вреза речной сета и др.; в области весьма замедленного водообмене - влиянием внутренних факторов: разрывной тектоникой, квазипериодическим изменением поля напряженности, гидротермами и др. факторами.

Глава. 4 Элизионное питание и палеодвижение глубоких вод.

Процесс естественного уплотнения глинистых пород, сопровождающийся выделением различных видов воды, содержащихся в них, был положен в основу развитая элизионных представлений о питании и движении глубоких вод и для палео гидрогеологических построений.

В основе существующих представлений о движении подземных вод на протяжении седименгационного этапа развития артезианских бассейнов лежит понятие об элизионном типе водообмена, при котором движение подземных вод направлено от областей с максимальным погружением, где коллектор перекрывается мощными толщами глинистых пород и вследствие этого из последних отжимаются значительные объемы воды, которые движутся к областям и участкам с менее интенсивным погружением осадочных пород. Таким образом, направление движения подземных вод в водоносных горизонтах связывают в основном с гипсометрическим положением отдельных его частей и с мощностью подстилающих и перекрывающих глинистых отложений. Основной недостаток подобных построений определяется тем, что область с существованием элизионнош типа водообмена рассматриваются здесь в отрыве от об-

ластей и участков той же водонапорной системы, на которых сохраняется водообмен инфильтрационного типа.

Нами на основе известного дифференциального уравнения фильтрации с внутренним (элизионным) источником питания были решены рад тестовых задач.

Обоснование граничных условий производилось исходя из следующих соображений. Согласно известным схемам наиболее погруженные части артезианских бассейнов являются областями питания, от которых движение подземных вод направлено по напластованию в направлении выхода отложений на поверхность. Следовательно, в центральной части впадины должен существовать "гидравлический водораздел" который можно рассматривать как непроницаемую границу. В области выхода отложений на поверхность задается граничное условие 2-го рода с постоянным расходом. На верхней границе бассейна осадконакопления задавался напор, равный нулю (за плоскость сравнения принимался уровень моря). Подошва коллектора принималась непроницаемой. Расход поровых вод, отжимающихся из подстилающих глин, задавался непосредственно в коллектор.

По мере погружения коллектора он перекрывается существенно глинистыми отложениями с максимальной мощностью до 1500 м в наиболее погруженной точке. Мощность глин в области выхода отложений на поверхность равна нулю. Изменение скорости погружения и мощности глинистых отложений между этими двумя точками происходит по линейному закону. Проницаемость перекрывающих отложений принимается постоянной 10"5 -10"6 м/сут.

Водопроводам ость коллектора в любом сечении пригашалась постоянной, хотя в общем случае она зависит от обеих координат.

Расходы в области питания О и суммарное питание из подстилающих и перекрывающих глинистых отложений я независимо от направления миграции поровых растворов задавалось в коллектор и принималось произвольным при различном их соотношении. При этом, поскольку глубина погружения коллектора менялась по линейному закону, дополнительное питание д менялось по тому же закону от максимальных значений в области с большим погружением пласта до нуля в области выхода отложений на дневную поверхность. При решении задачи менялись протяженность коллектора, его фильтрационные свойства, проницаемость глинистых отложений, суммарное питание из глин, величина инфильтрационного питания, скорости роста структур второго порядка относительно общего прогибания структуры. Скорости роста структур учитывались изменением мощности перекрывающих отложений.

Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы.

В условиях равномерного погружения коллектора основными факторами, определяющими величины напоров и направления движения подземных вод, являются соотношение расходов инфильтрационных и элизионных вод (СУя) и проницаемость перекрывающих слабопроницаемых отложений.

Поскольку в реальных природных условиях расходы латеральных потоков в единицу времени несоизмеримо больше расходов отжимающихся поровых вод не мс£ жет существовать транзитного стока отжимающихся поровых растворов к областям выхода отложений на дневную поверхность.

Под собственно элизионным типом водообмена следует понимать рассредоточенную восходящую разгрузку подземных вод (отжимающиеся поровые растворы), которая формируется в наиболее погруженных частях впадин.

При наличии в пределах области современного осадконажопления участков и зон с различной скоростью погружения общая картина распределения напоров осложняется в связи с появлением дополнительных очагов сосредоточенной разгрузки. Еще более значимое влияние на распределение напоров должны оказывать местные области "открытой" разгрузки, связанные с зонами тектонических нарушений, участков глубокого размыва и др.

Процессы компрессионного (элизионного) преобразования глинистых пород не могут играть существенной роли в формировании поля пластовых давлений. Сколько-нибудь значительная их роль может проявиться в идеальных условиях изоляции.

Глава. 5 Генезис аномально высоких пластовых давлений

Одной из ярких особенностей гидрогеодинамики глубоких горизонтов является наличие аномально высоких пластовых давлений (АВПД), которые встречаются практически во всех артезианского бассейнах независимо от возраста и особенностей геологического строения. Со времени открытия этого яркого и очень интересного факта было выдвинуто около 15 гипотез, объясняющих формирование АВПД.

К рассмотрению процессов формирования АВПД мы подошли с позиций термодинамики. Согласно законом последней, в замкнутой изолированной системе ее внутренняя энергия определяется тремя величинами: давлением, объемом и температурой. Изменение одной или двух из этих величин приводит к изменению остальных.

Несмотря на различные взгляды на формирование АВПД, все исследователи единодушны в одном - система должна быть изолирована, т.е. должны существовать непроницаемые или слабо проницаемые границы. Большие расхождения существуют в оценке времени существования АВПД.

Нами моделировалась тестовая задача аналогичная решенной А.Е.Гуревичем (песчаная линза, ограниченная глинистыми отложениями при мгновенном повышении давления в ней), но с учетом упругоемкосги глинистых отложений. По результатам моделирования АВПД, которые наблюдаются в настоящее время, сформировались не более 20 ООО лет назад и в любом случае время их возникновения не выходит за пределы четвертичного периода.

Кроме того, является очевидным, что при нормальных условиях глинистые отложения не являются надежными водоупорами (покрышками). Для сколько-нибудь длительного существования аномальных давлений должны создаваться идеальные условия изоляции.

По мнению большинства исследователей при естественном уплотнении глинистых пород внутри глинистой толщи формируется граница раздела с разнонаправленными движениями отжимающихся поровых растворов. Это утверждение никем не доказывалось (исключая А.Е. Гуревича, но принятые им граничные условия не соот-

ветствуют в большинстве случаев, наблюдаемым в природе), но оно имеет очень важное значение для получения представлений о пространственных потоках глубоких вод. В связи с этим нами интегрировалось уравнение фильтрационной консолидации (В.А. Флорин, 1964).

Уравнение фильтрационной консолидации с учетом уравнения равновесия выглядит с1Р/&= (р* / р + \)у+<1а1<к(МР1(к)

Где: Р = рН - поровое давление внутри глинистой толщи; а = (1 + Еср) / ра*, Еор - среднее значение коэффициента пористости; р, р"- соответственно плотность воды и грунта, а" - коэффициент уплотнения пород; к - коэффициент проницаемости глинистых пород, зависящий в общем случае от координаты г и времени.

Это уравнение интегрировалось для следующих условий. Выделим элемент глинистой формирующейся толщи и, будем полагать, что мощность этого элемента разреза растет от нуля до некоторого значения с постоянной скоростью V. По мере увеличения мощности этот элемент погружается на ту же глубину, на которую увеличилась его мощность. Глубина бассейна осодконакопленил принимается постоянной во времени. Кровля и подошва глинистой толщи проницаемы. Предположим также, что при равномерном погружении элемента глинистой толщи давление на его подошве растет с той же скоростью (нормальное распределение гидростатического давления по глубине), а на кровле равно нулю (при постоянной глубине (Н) бассейна осадкона-копления сШЛи = 0 ). При такой постановке задачи начальные и граничные условия шшшутся в виде:

1 = 0, 2 = 0 Р = 0; I > 0 г = 0 Р = I > 0, г = -л, Р = 0.

Решение этого уравнения с непрерывно движущейся границей имеет решение в виде системы интегральных уравнений типа Вольтера с переменным верхним пределом. Нами оно интегрировалось при различных параметрах, входящих в это уравнение. Результаты моделирования сводятся к следующему.

Гидравлический водораздел (граница раздела противоположных направлений движений поровых растворов) появляется лишь при значениях параметров, существенно отличающихся огг реально наблюдаемых в природе: при коэффициентах проницаемости глинистых пород менее 10*7 м/суг и скоростях осадконакопления более 10'3 и/год. Столь высокие скорости осадконакопления нехарактерны не только для платформенных, но и для геосинклинальных условий. Их следует рассматривать как аномальные. Во всех остальных случаях имеет место нормальное распределение порового давления, зависящее только от значений гидростатического давления на границах глинистого слоя. Кроме того, результаты решения задачи указывают на существенно стационарный режим фильтрации, что определяется соотношением скоростей перераспределения давления поровых вод (скорость оттока) и скорости приращения горного давления. Скорость оттока поровых растворов значительно больше.

Далее в главе рассмотрены основные факторы и процессы, приводящие к формированию АВПД, в соотношении со скоростями перераспределения давлений в осадочных отложениях. К этим факторам отнесены известные в литературе: элизион-ные процессы, дегидратация глинистых минералов, тектонические силы (работа внешних силы), дополнительное питание (в частности гидротермы), эпигенетические

процессы (совокупность процессов катагенеза, приводящих к уменьшению порового i трещинного пространства), химические процессы (деполимеризации высокомолеку лярных соединений), изменения температуры в замкнутой системе.

Особое внимание уделено тектоническим процессам. Для оценки их роли т формирование поля пластовых давлений приведены аналитические решения уравне ния теплопроводности для некоторых простых схем (шар и полуограниченное тело) Работа внешних сил (тектонические напряжения) в этом уравнении имитирует внут рение источники питания: сжатие системы вода-порода - источник с положительны» знаком; растяжение с отрицательным знаком. На основании этих решений делаете; вывод о том, что, во-первых, скорости изменения тектонических напряжений сопоста вимы со скоростями релаксации давлений, а, во-вторых, наблюдаемая сложная карги на распределения пластовых давлений и их градиентов, может являться следствие!, постоянно меняющегося напряженного состояния. Последнее подтверждается режим иыми наблюдениями на стационарных геофизических полигонах.

К основным процессам, приводящим к созданию АВПД нами на основе соот ношения скоростей различных процессов, отнесены:

а) тектонические силы и в первую очередь проявляющиеся мгновенно, б) гад ротермальная деятельность и поступление газо-водяной смеси из глубоких горизонтов в) мощные локальные тепловые потоки, значительно повышающие температуру в за лежи. Процессы, приведенные в пунктах б и в, в большинстве случаев являются следствием тектонических процессов. В создании АВПД совместно или порознь могу] принимать участие все перечисленные процессы.

Глава. 6 Формирование фильтрационных свойств пород глубоких горизонтов артезианских структур

При написании этой главы преследовалась единственная цель собрать воедино все многочисленные публикации, отражающие особенности формирования и распределения в пространстве емкостных и фильтрационных свойств, с тем, чтобы выявить наиболее общие закономерности изменения коллекторских свойств на больших глубинах.. При этом не ставилась цель обоснования геофильтрационной схематизации того или иного региона, что является самостоятельной задачей, направленной на решение каких-либо практических задач.

В главе раздельно рассмотрено формирование фильтрационных и емкостных свойств терригенных, карбонатных и глинистых отложений, а также в меньшей мере соленосных отложений. Рассмотрены все процессы диагенеза и различных стаций катагенеза, которые определяют формирование емкостных н фильтрационных свойств: условия осадконакопления, процессы естественного уплотнения, растворения, цементация (включая новомннералообразование, связанное палеогидротермальной деятельностью), тектонические процессы (грещиннообразование), образование трещин гидроразрыва, влияние температура »"минерализации подземных вод, а также минералогического состава на проницаемость глинистых отложений.

В результате обобще!шя матсриалов по фильтрационным и емкостным свойствам пород различного литологического и минералогического состава установлено:

- Одни и те же по литологическому составу и одновозрастные породы на юльших глубинах под действием различных процессов могут быть монолитными непроницаемыми) или хорошо проницаемыми породами (включая глинистые). Мас-птаб неоднородности (сочленение границ проницаемых и непроницаемых пород) мо-кет быть различным от первых десятков до первых сотен метров. На больших глуби-[дх породы обладают преимущественно трещинной проницаемостью;

- Существенная неоднородность фильтрационных и емкостных свойств приводит к формированию непроницаемых или слабопроницаемых границ и пласто волоковому строению глубоких горизонтов артезианских бассейнов;

- Глинистые породы (как породы любого литологического состава) на большее глубинах приобретают жесткие структурно-кристаллические связи, способность к рещиннообразованию и поэтому могут обладать тот или иной проницаемостью (со-гоставимой с породами иного литологического состава) или быть непроницаемыми;

- В масштабе геологического времени фильтрационные и емкостные свойства |дного и того же интервала разреза не остаются постоянными, а меняются во времени [ пространстве в связи с активизацией тектонических процессов, скрытой гидротер-гальной деятельностью, и постгидротермальными процессами, сопровождающимися разовыми переходами и новоминералообразованием, формирующими хаотичность фильтрационных и емкостных свойств в пространстве.

Глава 7. Гвдрогеодинамика глубоких горизонтов Западно-Сибирского артезианского бассейна

Первые три раздела главы посвящены геологическому строению, тектонике и идрогеологическим условиям бассейна.

В четвертом разделе рассматривается формирование фильтрационных войств. Обосновывается направленное их изменение в краевых зонах бассейна, кото-юе описывается эмпирической экспоненциальной функция (для альб-сеноманского и эрского водоносных комплексов).

В пятом разделе рассматривается влияние периферии бассейна на гидрогео-ргаамику глубоких вод. Для альб-сеноманского и юрского водоносных комплексов (острое ны пьезометрические карты и гидродинамические схемы потоков подземных юд краевых зон бассейна, на основании которых доказывается, что современное ин-Ьильтраххиошюе питание не имеет существенного значения на питание глубоких во-юносных горизонтов внутренних районов бассейна.

В шестом разделе методом моделирования осуществлена оценка влияния эталонного питания на формирование напоров глубоких подземных вод, которая осуще-ггвлена на Обь-Иртышском межцуречье в пределах Омской впадины. При моделиро-янии принимались наиболее "жесткие" условия - завышался объем отжатых поровых юд (рассчитан для условий Ханты-Мансийской впадины, в пределах которой максимальная глинистость разреза), который одномоментно подавался в альб-сеноманский

и юрский водоносте комплексы; все подстилающие и перекрывающие отложени считались существенно глинистыми. Проницаемость которых принималась равной 1С 1 м/сут.

Выводом к разделу является следующее. Несмотря на огромные объемы от жатых поровых вод за всю историю геологического времени их развития и рассчитан ные на всю площадь бассейна, приведенные к единице площади и к единице времен они имеют очень маленькие величины не сопоставимые с объемами современноп инфильтрационного питания. По этой причине не может сформироваться региональ ный элизионный поток, направленный из наиболее погруженных частей водоносны: комплексов.

В седьмом разделе рассматриваются гидродинамические особенности глубо ких горизонтов центральных районов бассейна. Гидродинамические условия цен тральных районов бассейна изучались в основном на примере Сургутского свода, ] пределах которого расположено более 20 открытых месторождений углеводородов,) который достаточно хорошо изучен, а также по отдельным хорошо изученным место рождениям центральных н северных районов бассейна (Салымское, Харасавейское 1 др.).

В восьмом разделе по результатам литературных источников приводится ин формация, свидетельствующая о широких масштабах вертикальной палео миграции оставившей свои следы в виде новоминералообразований (иногда нескольких генера ций); катагснетических изменениях горных пород; в аномалиях гидрогеохимическоп и температурного полей; палинологических и геохимических аномалиях, имеющие ярко выраженную вертикальную составляющую. Современная восходящая миграци) устанавливается в процессе эксплуатации по палинологическим данным (Салымско* месторождение).

В результате детальных исследований установлено:

- в центральных районах Западно-Сибирского артезианского бассейна глубо кие горизонты имеют блоковое (или слоисто-блоковое строение), что проявляется кш в естественных, так и в нарушенных условиях. На такое строение указывает неодно родность поля пластовых давлений, гидрохимического и теплового полей;

- существование блоков невозможно без существования различно ориентире ванных гидродинамических границ различной проницаемости (вплоть до ее отсутствия в зонах с АВПД) между отдельными частями разреза и имеющих различную генетическую природу;

- пластово-блоковое строение центральных районов бассейна исключает возможность латерального регионального движения подземных вод, которое ограничивается размерами блоков;

- имеются многочисленные факты, указывающие на широкие процессы вертикальной палеомиграции (возможно и современной), что доказывает активную рот фундамента в формировании глубоких подземных вод.

Глава 8. Гндрогеодинамиха глубоких горизонтов северной части Печорского артезианского бассейна.

Основными особенностями, несомненно, влияющими на формирование глубоких вод, являются: 1) наличие крупных н мелких структурных элементов, отделенных друг от друга тектоническими разрывными нарушениями нередко со значительной амплитудой смещения (до 800 м), что сопоставимо или превышает мощность крупных стратиграфических элементов; 2) широкая сеть различно ориентированных разрывных нарушений разного возраста разбивает территорию на систему блоков; 3) значительные неотектонические движения, имеющие колебательный, волновой и дизъюнктивный характер, влияют на напряженное состояние пород; 4) преимущественно карбонатный разрез (более 90 % мощности чехла) и отсутствие мощных толщ глинистых отложений, что исключает возможность значимого влияния элизионных процессов на формирование глубоких подземных вод; 5) отсутствие сквозных таликов в мощной толще многолетнемерзлых пород исключает возможность гидродинамической связи подземных вод с поверхностью.

В гидрогеологическом отношении выделяются следующие водоносные комплексы и разделяющие толщи: верхнепермско-триасовый водоносный комплекс; нижнепермская (кунгурская) разделяющая толща; верхневизейско-арганский водоносный комплекс; визейская разделяющая толща; верхнефранско-турнейский водоносный комплекс; кыновско-саргаевская (нижнефранская) разделяющая толща; среднедевон-ско-нижнефранский водоносный комплекс; ордовикско (силурийско) - нижнедевонский водоносный комплекс. Перечисленные водоносные комплексы являлись предметом изучения.

Гцдрогеодинамяческие условия Печорского артезианского бассейна изучались как в пределах отдельных хорошо изученных структур (поля пластовых давлений, концентраций и температур) в крупном масштабе, так и методом моделирования многослойной система (от пермо-триаса до ордовика-силура). В результате строились гидродинамические карты, схемы пластовых давлений и концентраций. Кроме того, привлекалась информация по литологии, минералогии и палинологии.

По результатам этих исследований выявлено пластово-блоковое строение нижних частей разреза. Приведена типизация блоков.

В региональном плане и на отдельных структурах наблюдаются разнонаправленные горизонтальные градиенты пластовых давлений, а на хорошо изученных струкзурах разнонаправленные градиенты температур и минерализации. Все это свидетельствует о блоковом строении Печорского артезианского бассейна;

Экстремальные значения пластовых давлений, горизонтальных и вертикальных градиентов уменьшаются вверх по разрезу, а размеры блоков увеличиваются в том же направлении. Площадь блоков меняется от 25 до 5000 км2. В разрезе блок может охватывать как один водоносный комплекс или его часть, так и несколько водоносных комплексов. Максимальные градиенты наблюдаются в силурийско-нижнедевонском водоносном комплексе до 1, уменьшаясь вверх по разрезу до полного отсутствия в верхнепермско-триасовом. В том же направлении уменьшаются и значения вертикальных градиентов.

Блоковое строение глубоких горизонтов исключает возможность регионам ного движения глубоких подземных вод в пределах Печорского артезианского бассен на.

Наличие областей с АВПД подтверждают блоковое строение глубоких чаете: разреза северной части Печорского артезианского бассейна.

Глава 9. Гидрогеодинамика глубоких горизонтов Восточно - Предкавказскоп Предкавказского артезианского бассейна

В первых трех разделах рассматривается геологическое строение, тектоника ] гидрогеологические условия.

В разделе 4 дается оценка влияния периферии бассейна на гадрогеодинамик глубоких вод, По результатам моделирования и гидродинамическим расчетам дока зывается, что роль региональных областей инфильтрационного питания ограничива ется первыми десятками км. Такая закономерность установлена для хорошо изучен ных в краевой части бассейна бакинского, апшеронского, акчагыльского, нижне- I верхнемелового водоносных горизонтов.

Ширина зоны полной разгрузки подземных вод сформированных в регио (ильных областях питания, существенно зависит от геологического строения краевьс частей артезианского бассейна. Она меньше там, где имеет место трансгрессивное за легание осадочных отложений, и водовмепиющие породы перекрываются другими особенно глинистыми отложениями. Такая же ситуация наблюдается и в Западно Сибирском артезианском бассейне. Практически вся территория Восточно Предкавказского артезианского бассейна в пределах мезозойских отложений (за ис ключением узкой полосы вдоль предгорий) представляет собой гидродинамическук зону весьма замедленного водообмена, характерную как для погруженных, так и дш приподнятых его частей. Влияние краевых зон бассейна, так называемы? "региональных областей питания" не сказывается в ее пределах. Здесь основную рол в питании и движении глубоких подземных вод играют разрывная тектоника и внут ренний структурный план территории. Чем крупнее масштаб исследований и стелет информативности как в целом для бассейна, так и для отдельных его частей, тем бо лее детально выделяются блоки, разобщенные между собой в гидродинамическом от ношении; в пределах блоков подземный сток является местным. Основным направле нием миграции подземных вод является вертикальная фильтрация, а источником пи тания служит нижняя граница осадочного чехла.

Масштаб исследований и отсутствие данных замеров пьезометрических уров ней по мезозойским комплексам в горной и предгорной частях артезианского бассейн; послужили причиной того, что по всем лентам тока практически не выделены шп выделены условно зоны активного и замедленного водообмена.

В пятом разделе методом моделирования дается оценка влияния элизионногс питания на формирование пластовых давлений глубоких горизонтов. В качестве основного объекта изучения выбран апшеронский водоносных комплекс. Все выше в нижележащие отложения рассматривались как существенно глинистыми, т.е. как по-

гавшнки отжимающихся поровых растворов. Оценка объемов отжимающихся поро-ых растворов производилась для наиболее погруженной части разреза, где мощность гложений достигает максимального значения. При этом широтный разрез (от Став-эпольского поднятия к Каспийскому морю) экстраполировался до середины Каспий-кого моря. Суммарный объем отжатых поровых вод составил 3300 м3/м2, или ,32-Ю'4 м3/год с 1 м2 поверхности. На всю длину изучаемого разреза (425 км) - 5,6 3/год. По результатам моделирования как и для Западно-Сибирского артезианского ассейна, роль элизионных процессов в формировании поля пластовых давлений глу-оких горизонтов ничтожна. Эти объемы внутренних источников питания не могут эздать обратного движения глубоких подземных вод - из областей максимального огружения в направлении периферии артезианского бассейна. Роль этих процессов ожет бьгп, значима лишь при абсолютной изоляции какой-либо части разреза.

В шестом разделе рассматриваются локальные пщрогеодинамические осо-енности отдельных структур бассейна. Локальные гидродинамические особенности сследовались на хорошо изученных структурах. Поскольку в пределах артезианского ассейна плотность подземных вод меняется существенно приведенные давления расчитывались с оценкой погрешности приведения. По результатам гидродинамического пробования отдельных структур и опыту эксплуатации устанавливается пластово -локовое строение глубоких горизонтов как в относительно спокойных в текгониче-ком отношении районов (Кумекая зона поднятий - месторождения: Русский хутор, ^чикулакское, Величаевская Правобережная и мя. др.), так и в тектонически- акгив-ых районах с широким развитием АВПД (Терско-Сунженская область). Величины аггеральных градиентов меняются от тысячных долей до единицы и более в районах азвигая АВПД.

В пределах всех изученных структур наблюдается разнонаправленная жарти-а горизонтальных градиентов пластовых давлений, что свидетельствует о пласгово-локовом строении глубоких частей разреза. Блоковое строение невозможно без суще-твования гидродинамических границ между блоками, существование которых под-верждается результатами гидродинамического опробования. Так, по результатам вдродинамического опробования установлено отсутствие гидродинамического взаи-юдействия на Ачалукской структуре между 7-ю парами скважин; на Величаевской и Гравобережной - между 2-мя парами скважин; на Восточно-Безводненской и Правобережной - между 3-мя парами скважин.

В Прикумсюой зоне поднятий, находящейся в существенно спокойных текто-ических условиях с малоамплитудными разрывными нарушениями (менее мощности гродуктивяых горизонтов), наблюдается отсутствие гидродинамического взаимодей-твия между отдельными поднятиями и их гидродинамическая разобщенность. Перейди приведенных уровней между отдельными структурами достигает (в метрах во-1Яного столба) 100-200 м и более: Колодезное - Величаевское - более 100 м; Велича-" вское - Правобережное - более 500 м и др. В целом же, на относительно небольшой [лошади Прикумской зоны поднятий перепады приведенных уровней превышают 700 ^

I.

Анализ распределения пластовых давлений глубоких вод Восточно Предкавказского артезианского бассейна в плане и разрезе показывает:

- резкие изменения пластовых давлений на коротких расстояниях, как в пла не, так и в разрезе осадочного чехла. Наиболее резкие изменения пластовых давленк связаны с районами с современными тектоническими движениями и сейсмическим; процессами (Терско-Сунженская область);

- мезозойские отложения бассейна представляют собой систему частично ил полностью гидродинамически изолированных блоков, размеры которых меняются о нескольких сот метров до первых десятков километров;

- пластово-блоковое строение исключает возможность региональных потоко в глубоких горизонтах;

- для изучения процессов формирования гидродинамически изолированны: блоков, особенно в вертикальном разрезе, необходимо детально изучать фильтраци онные свойства водовмещающих пород, в пределах которых формируются различи« ориентированные непроницаемые (шш слабопроницаемые) границы. Их существова ние подтверждается единичными примерами;

- наблюдается также неоднородность гидрохимического поля с проявление» разнонаправленных градиентов;

- для глубоких горизонтов характерны различные аномалии: гидрохимиче ские, гидродинамические, газовые, температурные, минералогические, геохимиче с кие и др. Большинство аномалий не может быть объяснено без комплексного авали за, который должен включать анализ информации по гидродинамике, гидрохимии газовому составу, температуре, минералогии (вторичное минералообразование) и др. что является самостоятельных задачей будущих исследований.

Глава 10. Гвдрогеодинамика глубоких горизонтов Бухаро-Каршинского артезианского бассейна

В первых трех разделах кратко описываются геологическое строение, тектоника и гидрогеологические условия артезианского бассейна. Предметом изучения являлись: юрский, альб-сеноманский и турон-палеоценовый водоносные комплексы.

В четвергом разделе приведена оценка влияния современных областей ин-фильтрационного питания (периферии бассейна) на гвдрогеодинамику глубоких вод По результатам гидродинамических расчетов вдоль линий тока установлено, что роль региональных областей питания ограничивается здесь полосой в 30- 50 км. По этой причине Зиаэтдинские горы нельзя относить к региональной области питания и создания напоров глубоких вод перечисленных выше водоносных комплексов.

Гидродинамические условия изучались в пределах отдельных хорошо изученных структур.

По результатам гидродинамического опробования и опыту эксплуатации месторождений установлено отсутствие гидродинамического взаимодействия между отдельными структурами (Ташкудук, Учкыр, Янгнкудук, Газди, Курбанали, Атбакор и

мн. др). На месторождениях Кандым и Сев. Мубарек перепад пластовых давлений внутри структур меняется от 1 до 4 МПа. Значительные перепады пластовых давлений наблюдаются на ряде других структур и создают разнонаправленную картину распределения латеральных градиентов. Подчеркнем, что для рада месторождений бассейна (например, Мубарекского) изменение плотности подземных вод весьма незначительно (минерализация менее 10 г/л), что исключает погрешности, связанные с приведением пластовых давлений. Однако и здесь имеется локальная картина распределения пластовых давлений в пределах структуры. Например, на месторождении Учкыр в отложениях неокома гидродинамическими исследованиями установлено отсутствие взаимодействия между тремя скважинами. При этом депрессия на пласт составила 13,2 МПа.

Все это свидетельствует о наличии непроницаемых внутренних или слабопроницаемых границ в пределах водоносных горизонтов и как следствие о пластово-блоковом строении разреза.

Пластово-блоковом строении подтверждается весьма широким распространением аномально высоких пластовых давлений, особенно в нижних частях разреза. Коэффициенты аномальности в раде случаев превышают 2. Это связано, прежде всего с тем, что бассейн примыкает к альпийской зоне складчатости, которая характеризуется активными тектоническими движениями в современное время и высокой сейсмичностью.

Основные выводы к главе сводятся к следующему:

- перепады пластовых давлений, замеренных на одной плоскости в естественных условиях, отсутствие гидродинамического взаимодействия между отдельными скважинами внутри структур н между ними, широкое развитие аномально высоких пластовых давлений свидетельствуют о пластово-блоковом строении мезозойских водоносных комплексов;

- влияние периферии бассейна, традиционно относимой к региональным областям питания, проявляется лишь в узкой полосе, ширина которой не превышает первых десятков километров.

- наличие гидродинамически изолированных блоков в ряде случаев ограничивает, а порой исключает существование региональных потоков глубоких подземных вод во внутренних районах бассейна, где существенную роль играют внутренние процессы, и, прежде всего тектоника, современные и палеогпдротермы.

С глубиной увеличивается интенсивность проявления гидродинамических аномалий и масштаб неоднородности пластово-блокового строения глубоких горизонтов. Вверх по разрезу пласгово-блоковое строение вырождается.

Глава И. Региональные особенности массопереноса в глубоких горизонтах артезианских бассейнов

В настоящее время гидродинамическая изученность глубоких подземных вод крайне неравномерна как по площади, так и по разрезу. Изучаются в основном про-

дукгивные горизонты, а гидрогеологическое опробование всего разреза практически не проводится или проводится в очень ограниченном объеме.

Для ликвидации этого пробела в главе на основе литературных источников по многим регионам предпринята попытка оценил., накопившуюся к настоящему времени информацию, косвенно подтверждающую направления миграции подземных вод в глубоких горизонтах артезианских бассейнов. Информация по гидрохимии, геохимии, минералогии и др. разделам науки о Земле позволяет если не оценивать количественно, то правильно понимать направленность процессов миграции.

Палинологический анализ, осуществленный для рада нефтегазоносных бассейнов (Урало-Волжского, Тимано-Печорского, Западно-Сибирского, Предкавказско-го, Восточная Сибирь, Днепровско-Донецкая впадина и др.), однозначно показал широкое развитие процессов вертикальной миграции (К.Р.Чепиков, В.А,Кропгова и мн. др.). Для этих бассейнов установлено отсутствие схожести (вплоть до отсутствия общих элементов) комплексов микрофассилий нефтей, газа н конденсата с вмещающими породами. При этом, в среднем объем миграционной части составляет в нефтях 50-80 %, в конденсатах до 90% и в газе более 95 %. Вертикальной миграцией порой охвачена значительная часть разреза (первые км).

Гидрохимические, газовые и геотермические аномалии в ДДВ имеют максимальные площади распространения в низах осадочной толщи, которые вверх по разрезу сужаются. В работе (Романюк А.Ф. и др., 1977) совершенно справедливо отмечено, что в периоды тектонической и сейсмической активности открываются вертикальные пути фильтрации, которые затем могут быть закрыты минеральными выделениями, а иногда даже асфальтовыми и озокеритовыми пробками. Геотемпературные аномалии проявляются даже на поверхности (несколько десятых градуса), они устанавливаются инфракрасной съемкой. Максимальное содержание водо-растворимых газов наблюдается в приразломных зонах, которое при удалении от разломов резко сокращается.

На юге Восточной Сибири фиксируется пространственная связь очагов разгрузки рассолов, геотермических аномалий и разломов. При этом вертикальное движение подземных вод столь интенсивна, что в поверхностных соляных источниках фиксируются растительные остатки терригенного комплекса, бензол, фенолы нафтеновых кислот н углеводородных газов..

В зонах разломов и во впадинах Байкальской рифтовой зоны тепловые потоки в 2-3 раза превышают фоновые. С тепловыми аномалиями здесь связаны многочисленные выходы преимущественно азотистых, иногда углекислых, термальных источников с температурой до 70° С, а также наблюдается корреляция между сейсмической активностью и интенсивностью теплового потока. Одна из стадий формирования полиметаллических руд, главным образом цинковых, наблюдается в настоящее время в Забайкалье. Их формирование И.С. Ломоносов (1979) связывает с современной гидротермальной деятельностью (восходящей миграцией термальных рассолов).

В Нижнекуринекой впадине площади (Кюровдаг, Мшповдаг и др.) разбиты многочисленными разломами различного простирания. Здесь отмечается резкое изменение солевого состава (бикарбонатов, сульфатов, щелочноземельных металлов) и

минерализации. Закономерность их изменения^ пространстве отсутствует. Характерным для гидрохимических аномалий также является их локализация в пространстве. Здесь же широко развиты грязевые вулканы, расположенные в узлах пересечения разломов. Наличие резкого изменения гидрохимии в пределах одной площади Ш.А. Папахи (1979) объясняет как фатальными изменениями, так и застойностью в пределах отдельных блоков, но при этом допускает вертикальную миграцию по разломам.

Изучение гидрохимических особенностей подземных вод в Ферганской впадине показало, что так же, как и в Западной Сибири, локальные очаги вертикальной разгрузки высокоминерализованных вод создают пеструю, мозаичную в пространстве картину химического состава глубоких вод.

На основании изучения геохимии рубидия, брома, кальция, стронция, бария и железа в Куйбышевской области делается вывод (Козин А.Н.,1978) о том, что их происхождение нельзя объяснить обычным путем (выщелачиванием, растворением, реакциями обмена и замещения). Единственный логический вывод - восходящая миграция вод из более глубоких горизонтов земной коры, в данном случае из фундамента.

В.И. Дворовым установлено, что на Челекене в приразломных зонах красно-цветная толща сложена перемятыми песчано-глинистыми породами, вдавленными по разрывным трещинам, с новообразованиями кальцита, арагонита, пирита, марказита, галенита, сфалерита, халькопирита, лимонита, барита, гипса и др. В приразломной зоне Западного Челекена фиксируются травертиноовые покровы и блоки карбонатных песчаников. В приразломной зоне красноцветной толщи определены: Аб, Р, Мп,Рв, Бп, ва, Мо, Б г, V, Си, 2п, Т1, В и др. Рассолы с аномальными концентрациями металлов локализованы вдоль глубокозаложенных разломов и оперяющих их сбросов, зон дробления.

Влияние вертикальной миграции на геохимию приповерхностных отложений проявляется также в аномальных содержаниях (в 3-7 раз выше фоновых) ртути. Последнее, в частности, установлено в приповерхностных слоях почвы в районе г. Ташкента. Аномальное содержание ртути пространственно связано здесь с древними глубинными разломами и их пересечением с более молодыми.

Известна разгрузка глубоких вод, в том числе и нефтегазовых горизонтов, под долинами рек различного порядка. Чем крупнее река, тем больше ее дренирующая роль, и тем более глубокие части разреза осадочных толщ платформ находятся под ее дренирующим воздействием. Дренирующее воздействие речной сета нередко проявляется в характере пьезометрической поверхности (рек: Волга, Обь, Кума и др.) и распространение куполов соленых вод под долинами крупных рек.

Вертикальная восходящая миграция глубоких флюидов проявляется также в поверхностных нефтепроявлениях. Поверхностные выходы нефти известны в Сурхан-дарьинской долине (Шакарлык-Астана), здесь же в виде источников разгружаются нефтяные воды. Всего в пределах Таджикской депрессии КВ. Бабковым установлено 21 нефтепроявление в виде участков высачивания по трещинам, приуроченным к глубинным разломам.

В Западной Камчатке, сложенной вулканогенно-осадочными породами позд-ненеогенового и четвертичного возраста мощностью 5-6 км, Е.И. Кудрявцевым обнаружены естественные выходы углеводородного сухого газа на поверхность и нефте-проявления в районе Саванских горячих источников. Поверхностные иефтепроявле-ния известны в Восточном Предкавказье, Зауралье, Восточной и Западной Сибири и других районах.

Об активной вертикальной миграции, затрагивающей глубины до 10 км, свидетельствуют также обломки пород, выносимых грязевыми вулканами. Следы вулканической и грязевулканической деятельности устанавливаются в области сочленения Днепровско-Донецкой впадины и Донецкого кряжа, в Западной Сибири и других районах. На территории Азербайджана имеется 52 газовулканических очага, которые с 1810 г. извергались 145 раз. Извержения сопровождаются столбами пламени высотой 100-200 м, выбросом каменного материала. Так, одно из извержений в районе с. Кур-чи привело к образованию каменного конуса высотой до 25 м и площадью 32 тыс. м2 и двух параллельных трещин, прослеживающихся почта на 5 км. В составе выделяющихся газов 3. А. Б униат-Заде определено - метана 99 % и углекислого газа - 1 %.

До недавнего времени гидрогеологическая роль разломов оставалась в значительной мере проблематичной, особенно для районов с широким развитием мощных толщ слабопроницаемых пород. Однако исследования последних лет показали, что разломы - это сложно построенные геологические тела, имеющие различные параметры. Ширина зон дробления достигает 40 км и более, протяженность от 200 до 2000 км, глубина заложения - до 50 км и более. Эти зоны сильно нарушены разрывами и складками, длительно и многофазно развиваются, и в их пределах существенно меняются мощности и литофании горных пород. Особенно это относится к разломам глубокого заложения.

Таким образом, связь между гидродинамическими, гидрохимическими, геохимическими и другими аномалиями, подтверждающими вертикальное восходящее движение глубоких вод, отмечается во многих районах вашей страны и за рубежом и с этим необходимо считаться при изучении гидрогеодинамики глубоких подземных вод.

Обширный (но далеко не полный) эмпирический материал приводен не случайно, а в связи с тем, «по возможность вертикальной миграции глубоких вод хотя и оговаривается в литературе, но этому не уделяется должного внимания и при гидрогеологических построениях эти факты совсем не учитывается и потому не находит отражения прежде всего на пьезометрических каргах. И вместе с тем некоторые теоретические соображения и накопленный к настоящему времени эмпирический материал говорят о том, что в глубоких горизонтах артезианских бассейнов вертикальная миграция флюидов (вода, нефть, газ) преобладает над горизонтальной и, возможно, в региональном плане является единственным направлением движения. Роль же горизонтальной миграции незначительна и ограничивается, вероятно, отдельными струк-турнымиЗлеменгами или тектоническими блоками.

Анализ большого количества фактического материала позволяет выявить следующие общие закономерности формирования глубоких подземных вод: слоисто-

блоковое строение и гидродинамическая разобщенность блоков в горизонтальном и вертикальном направлениях; отсутствие региональных (плановых) потоков глубоких вод, которые могут иметь место лишь в пределах отдельных частей (блоков, структур) и ограничиваться расстояниями в первые километры.

Таким образом, обобщение и анализ всего накопившегося опыта гидрогеологического изучения глубоких горизонтов платформ в естественных и нарушенных условиях в различных районах СССР (Западная и Восточная Сибирь, Западное и Восточное Предкавказье, Волго-Уральская и Тимано-Печорская области, Днепровско-Донецкая, Притекая и Куринская впадины, Средняя Азия и Предкарпагье) показывают наличие резкой анизотропии поля пластовых давлений, гидрогеохимического и температурного полей. Общая закономерность проявляется также в резкой анизотропии миграционных параметров вмещающих пород, определяющей их пласгово-блоковое (в гидродинамическом смысле) строение, часто исключающее или существенно ограничивающее в плане и разрезе гидродинамическое взаимодействие блоков.

По-видимому, следует отказаться от классических представлений о гидродинамическом единстве водоносных комплексов в плане и о существовании региональных потоков глубоких подземных вод, направить усилия на изучение гидродинамических и гидрогеохимических закономерностей отдельных структур и участков, а затем уже переходить к региональным обобщениям.

Таким образом, основным видом движения в глубоких водоносных горизонтах является эпизодическая восходящая локальная миграция гидротермальных растворов по разломам и их пересечениям, которая активизируется в периоды увеличения тектонической активности.

Глава 12 Генезис границ, формирующих слоисто-блоковое строение глубоких горизонтов платформ.

При изучении в плане и разрезе гадрогеодинамических особенностей слоистых систем артезианских бассейнов (Восточное Предкавказье, Западная Сибирь, Средняя Азия, Тимано-Печорская провинция), было проанализировано распределение пластовых давлений по более чем двумстам месторождений углеводородов, минеральных и промышленных вод с использованием информации по опробованию нескольких тысяч скважин.

Основными выводами из этих обобщений являются:

- для всех изученных регионов н для подавляющего числа месторождений (структур) характерно наличие разнонаправленных латеральных градиентов пластовых давлений, нередко резко отличающихся по величине и направлению (имеются структуры и безградиентные) Мектебское -Восточное Предкавказье, Газли - Средняя Азия и др.).

- наличие разнонаправленных градиентов свидетельствует о неоднородности поля пластовых давлений и вступает в противоречие с представлениями о региональном латеральном движении глубоких флюидов на большие расстояния.

____- глубокие горизонты слоистых систем платформ нужно рассматривать как

систему относительно изолированных блоков. Под блоком понимается часть слоистого разреза, частично или полностью гидродинамически изолированная от смежных частей разреза. Особенно показательны в этом отношении районы с аномально высокими пластовыми давлениями, имеющиеся во всех перечисленных регионах.

Наличие экстремумов (пьезоминимумы и пьезомаксимумы) в поле пластовых давлений глубоких горизонтов, связанных с отдельными блоками пластовой системы, вынуждает искать ответы, по крайней мере на три вопроса:

- какие процессы приводят к формированию непроницаемых или слабопроницаемых границ в относительно однородных по лигологическому составу и одно-возрастных водоносных комплексах?

- имеются ли внутренние источники питания и участки разгрузки, приводящие к сложной картине потока, и какова их природа?

- какие процессы препятствуют релаксации пластовых давлений даже в пределах отдельных блоков с четко выраженными границами (например, тектонические границы со смещениями, амплитуда которых сопоставима с мощностью водоносного комплекса)?

Первым и принципиально важным является вопрос о природе относительной изоляции блоков в пластовой системе, т.е. о природе границ (второй и третий вопрос освещены в гл. 11 и 13).

Изучение материалов по геологии, тектонике, литолого-минералогическому составу пород, истории геологического развития, гидрогеологии и др. позволяет выделить следующие типы границ: тектонические, литолого-фациальные, геохимические и гидродинамические. Существование этих типов границ реально для каждого региона, но в "чистом" виде каждый из них встречается редко.

Тектонические границы бывают нескольких подтипов.

Первый подтип связан с разрывными нарушениями со смещениями, амплитуда которых достигает десятков и сотен метров и сопоставима с мощностью водоносного комплекса. В этом случае смещенный блок может контактировать в плане с непроницаемыми или слабопроницаемыми породами. Этот подтип наиболее характерен для краевых прогибов и платформенных структур, примыкающих к альпийской зоне складчатости (Восточное Предкавказье, Бухаро-Каршинский артезианский бассейн, Куринская и Ферганская впадины). Кроме того, он может проявляться в зонах сочленения структур второго и более низких порядков. Например, Восточно-Колвинский н Вараидейский разломы отделяют Хорейверскую впадину соответственно от Коявин-ского мегавала и вала Сорокина (Печорский артезианский бассейн) с амплитудой смещения до 800 м. Естественно, что в гидродинамическом отношении эти блоки будут изолированы друг от друга. В Восточном Предкавказье и Бухаро-Каршинской области амплитуда смещений также составляет несколько сот метров.

Второй подтип тектонических границ образуется тогда, когда тектонические нарушения с малыми амплитудами смещения или без них формируются в условиях сжатия. В этом случае происходит дробление пород, сопровождаемое выжиманием обломков в поровое и трещинное пространство, их растворением и переходом в це-

ментирующую массу. Под действием сжимающих усилий происходит сокращение точечных контактов, образование выпукло-вогнутых контактов, что влечет за собой уменьшение емкостных и фильтрационных свойств пород. Кроме того, если даже исключить физико-химические преобразования пород, то только под влиянием сжимающих усилий сокращение пористости может достигать 12%, а проницаемости - до 300% по отношению к прежним условиям. Все эти процессы хорошо изучены и описаны. Таким образом, зоны сжатия во всех случаях могут рассматриваться как относительно непроницаемые границы.

Третий подтип тектонических границ может быть связан с зонами растяжения. В противоположность второму подтипу эти зоны характеризуются повышенными значениями емкостных и фильтрационных свойств. В силу этого по ним может осуществляться дренирование глубоких вод, и в этом случае эта зона будет являться своеобразной гидродина- мической границей, подобно границе в потоке грунтовых вод под дреной. Однако в процессе геологической истории развития формирование границ в зонах растяжения может быть связано и с другими процессами. Например, залечивание новоминералообразованиями трещинного и порового пространства.

Суб вертикальные зоны с аномальными физическими свойствами, которые разные авторы называют либо зонами трещиноватосги, либо зонами дробления, либо сейсмонапряженными зонами, надежно и уверенно выделяются на большинстве сейсмических разрезов во многих областях (Коллекгорские свойства пород на больших глубинах, 1985).

Литолого-фацистъные границы. Для сред седиментационно - фациального типа характерна резкая анизотропия фильтрационных свойств в латеральном и вер-такальном направлениях, которая определяется как условиями осадконакопления, так диагенетическими и катагенетическими процессами.

Изначально зоны повышенной емкости и проницаемости связаны, главным образом, с местами размыва слабопроницаемых пород, а также с участками фациального замещения глинистых пород более грубозернистым материалом, приуроченными к периферии бассейнов или сводам внутренних подшгпщ.

Тогда, когда структуры второго и более низких порядков являются унаследованными, их строение прослеживается через весь этап формирования осадочного чехла, обуславливая их "сквозной" характер. На положительных локальных структурах конседиментационного роста наблюдаются закономерные изменения основных литологических параметров (Сидоренко АИ., 1978), а именно: к своду растет медианный размер зерен, а к периферии увеличивается глинистость отложений. Поэтому в сводах положительных структур и ядрах складок отмечено увеличение пористости, которое сопровождается часто повышенным содержанием песчаных прослоев в разрезе. Поэтому периклинали и отрицательные структуры можно рассматривать как слабопроницаемые границы. На локальных структурах сказывается также влияние тектоники, которое проявляется в более интенсивной трещиноватосги в сводовых частях. Характер и интенсивность трещиноватосги в этом случае следует рассматривать как результат наложения двух процессов: седименгогенного и тектонического.

В раде случаев на сводах локальных поднятий увеличение трещиноватости проявляется чрезвычайно резко, при этом трещинная проницаемость на коротких расстояниях может меняться на 2-3 порядка и более как для карбонатных, так и для тер-ригенных пород.

На процессы седиментогенной литолого-фациальной неоднородности накладываются процессы геостатического уплотнения при росте геостатической нагрузки. Наибольшему уплотнению подвергаются часта разреза с повышенным содержанием глинистого материала (крылья, перекликали положительных структур н межструктурные пространства), а наименьшему - своды положительных струюур, в разрезе которых преобладает грубозернистый материал, характеризующийся меньшими коэффициентами сжимаемости.

Литолого-фациальные границы проявляются также и в карбонатных породах. Например, в зонах распространения рифогенных построек, которые имеют резкие границы, локальное распространение и характеризуются высокими емкостными и фильтрационными свойствами. Это особый тип дитолого-фациальных границ, разделяющих зоны с существенно различной проницаемостью.

Минералого-геохимическае границы. Под ними понимаются зоны различной ориентации (горизонтальные, вертикальные и иные), в пределах которых поровое и трещинное пространство частично или полностью заполнено новоминералообразова-ниями. Свидетельств наличия новообразованных минералов чрезвычайно много. Существование таких границ подтверждается следующими фактами: 1) соседством "сухих" и продуктивных скважин, пробуренных в узком интервале разреза литологи-чески однородных и одновозрастных пород; 2) отсутствием гидродинамического взаимодействия между скважинами, эксплуатирующими один и тот же продуктивный горизонт; 3) наличием градиента пластового давления в естественных условиях; 4) снижением емкостных и фильтрационных свойств к кровле и подошве продуктивных горизонтов при смене литолого-минералогических разностей горных пород; 5) наличием минералогических аномальных разрезов, связанных с новоминералообразова-ниями.

Процессы новоминералообразования могут происходить только при смене термодинамических условий и при поступлении в систему флюид-порода растворов неравновесных в этой системе. Такая ситуация может возникнуть только при поступлении раствора снизу и его вертикальной миграции сквозь слоистый разрез. Поступление растворов только снизу объясняется тем, что приток по напластованию с региональных областей питания невозможен (гл. 3). Это даст основание предполагать наличие широких процессах палеопщротермальной деятельности, оставившей многочисленные следы в вцде новоминералообразований в осадочном чехле платформ.

Гидродинамические границы. К ним можно отнести пьезоминимумы и пьезо-максимумы, с которыми или от которых может осуществляться движение флюидов. Эти границы хорошо известны в гидрогеологии верхних горизонтов (водоразделы и речные долины). В глубоких горизонтах это могут быть субвертикальные зонй, связанные с разломами или ослабленными зонами, по которым осуществляется движение

флюидов. В шине зоны разгрузки будут связаны с пьезоминимумами. С пьезомакси-мумами могут быть связаны зоны с внутренними источниками питания.

Таким образом, границы различного генезиса определяют формирование в глубоких пластовых системах осадочного чехла относительно изолированных блоков. Природа этих границ не во всех случаях поддается однозначным оценкам (приведенная типизация в значительной мере схематична и нуждается в совершенствовании, что является задачей будущих исследований).

Глава 13. Принципиальная модель формирования глубоких вод артезианских бассейнов.

Из рассмотренных выше основных особенностей формирования подземных вод артезианских бассейнов платформ и впадин видно, что: 1) отсутствует влияние периферийных частей артезианских бассейнов ("региональных областей питания") на формирование глубоких вод зоны весьма замедленного водообмена; 2) роль элизион-ных процессов ничтожна; 3) гидродинамическая обстановка в зоне весьма замедленного водообмена характеризуется наличием пласто во-блоковой системы (с отсутствием или весьма ограниченной гидродинамической взаимосвязью между собой; 4) в глубоких горизонтах осадочного чехла платформ и впадин осуществляется преимущественно вертикальная восходящая эпизодическая в геологическом масштабе времени миграция, оставляющая следы в виде новоминералообразований и различных аномалий; 5) непостоянство химического и газового состава флюидов на относительно коротких расстояниях, свидетельствует о неравновесном состоянии гидродинамических систем, что доказывается наличием АВПД и резкой дифференциацией поля пластовых давлений в плане и разрезе осадочных отложений.

Таким образом, наблюдаются парадоксальные на первый взгляд явления. С одной стороны, роль периферии платформ ограничена и проявляется лишь в узкой полосе вдоль их границ, С другой - современные проявления вековой восходящей миграции флюидов в центральных частях платформ и впадин (субаквальная разгрузка в речных долинах, в виде источников) свидетельствуют о наличии внутренних источников питания в глубоко погруженных горизонтах. Об этом также свидетельствуют следы вертикальной палеомиграции. Эти факты говорят о наличии внутренних источников питания подземных вод, влияние которых может проявляться на различных уровнях геологического разреза вплоть до поверхности.

С нашей точки зрения, процессы формирования глубоких вод зоны весьма замедленного водообмена, включая источники питания, можно объяснить следующим образом.

В периоды тектонической активности из глубоких частей земной коры и, возможно, верхней манпга с огромной энергией поднимается газо-водяная смесь, которая подобно интрузивным телам рассекает отложения осадочного чехла и заполняет ослабленные трещинные зоны. Поднимаясь вверх по разрезу, ота постепенно теряет свою энергию на совершение работы по преодолению горного давления, сил сцепления, на деформацию пород, на образование трещин гидроразрыва, на заполнение раз-

личного типа ловушек (например, своды положительных структур, прилежащих к основному каналу), возможно, на формирование микрорельефа поверхности земли.

В зависимости от энергии поднимающихся растворов ширина боковой миграции может быть различной. Растворам легче проникать по напластованию пород, чем пластовым интрузивным телам, площадь которых достигает тысяч квадратных километров, а расстояние от вертикальных или наклонных каналов, по данным В.В. Бело-усова, - десятки километров (трапповые тела в Восточной Сибири занимают площадь в десятки тысяч км2). Естественно предположить, что боковая миграция эндогенных растворов (флюидные интрузии) будет не меньше.

Мощность разреза, затронутая проникновением восходящих эндогенных растворов определяется, как ее начальной энергией, так и строением разреза: цитологическим и минеральным составом вмещающих пород, их мощностью, характером слоистости, наличием пластичных слабоконсолидированных осадков, их мощностью и положением в разрезе, величиной геостатического давления и многими другими факторами. При достаточно большой энергии газо-водяной смеси и длительности гидротермальной деятельности или частой ее периодичности на протяжении относительно короткого в геологическом плане времени газо-водяная смесь может изливаться на поверхность подобно трапповым интрузиям, захватывая с собой обломки пород зоны дробления, или - на стадии затухания подобно грязевому вулканизму.

После завершения процесса активного внедрения газо-водяной смеси наступает, вероятно, период медленного и длительного постепенно затухающего поступления в осадочный чехол небольших количеств воды и газа, состав и температура которых также меняются во времени. Этот процесс сопровождается перераспределением пластовых давлений в осадочном чехле во всех направлениях. Это перераспределение в определенных условиях (при геохимической несовместимости и при переменных во времени термодинамических условиях) может приводить к залечиванию трещинова-тости в связи с фазовыми переходами в системе вода-газ-горная порода и к образованию гидродинамически частично или полностью изолированных блоков.

Новые тектонические подвижки, сопровождающиеся гидротермальной деятельностью, могут изменить сложившееся распределение пластовых давлений в вертикальном и горизонтальном направлениях и создать новую картину полей пластовых давлений, концентраций и температур, а также существенную неоднородность геофильтрационного поля.

Такую модель, которая объединяет в себе тектоническую активность регионов, гидротермальную деятельность, развитие термодинамических процессов, обуславливающих фазовые переходы в упруго-деформируемой среде, которые в свою очередь формируют резкую неоднородность миграционных свойств вмещающих пород и непроницаемые границы, а также различные аномалии, можно назвать пульса-ционно-гидрогеотермодинамической моделью формирования глубоких вод зоны весьма замедленного водообмена.

Предлагаемая модель снимает многие противоречия в вопросах формирования глубоких вод, особенно в существовании различного рода аномалий, являющихся характерной чертой гидрогеодинамики глубоких горизонтов. Кроме гидродинамиче-

ских вопросов формирования подземных вод глубоких горизонтов, она объясняет также гидрогеохимические, газовые, температурные и другие~ аспекты формирования глубоких вод.

В тектонически активных районах с проявлением частых сейсмических явлений, с непрерывными тектоническими подвижками процессы образования и залечивания трещиноватости сменяют друг друга на протяжении относительно коротких периодов геологического времени.

В более спокойных районах формирование тектонической трещиноватости и гидротермальная деятельность происходят лишь в относительно длительные периоды тектонической активности, достаточно удаленные друг от друга во времени. Залечивание же трещиноватости приводит к довольно длительному существованию относительно гидродинамически изолированных блоков в плане и разрезе осадочного чехла.

Предлагаемая модель формирования гео фильтрационного поля не противоречит наблюдаемым явлениям н не исключает возможности существования открытой пористости и проницаемости (не залеченной трещиноватости). Для этого необходимо, чтобы в прошлые геологические эпохи и в настоящее время водовмещающие породы содержали или инертные к себе флюиды (нефть, газ), или недонасыщенные растворы при имеющихся (имевшихся) термобарических и геохимических условиях. Кроме того, в зависимости от конкретных термобарических условий, особенностей фазовых переходов, характера открытой трещиноватости может происходить частичное зарастание трещин по длине и полное зарастание тех же трещин по ширине. Другими словами, одна и та же трещина (или система трещин) на одном участке может быть выполнена новоминералообразованиями, а в другой части остаться открытой, т. е. в данном случае имеется полная аналогия с нарушенными эксплуатацией условиями, при которых наиболее интенсивно зарастают те части технологического оборудования, где более резко падают давление и температура.

Тектонические движения с нарушением сплошности пород, проявлением гидротермальной (или низкотемпературных растворов) деятельности имеют циклический характер, как и многие геологические процессы. Каждые последующие тектонические движения, сопровождающиеся образованием трещиноватости, могут приводить к временной гидродинамической взаимосвязи блоков, которая затем вновь будет затухать в связи с процессами новоминералообразования, залечивания трещин и их механического сжатия. Если зона трещиноватости (ширина, степень открытости) более раннего происхождения больше, чем позднего, то гидродинамическая разобщенность может сохраниться, например, в результате того, что ширина (глубины проникновения) вновь образованных трещин может оказаться меньше ширины зоны залеченной ранее трещиноватости.

Для глубоких горизонтов платформ влияние напряженного состояния вмещающих пород (гидрогеодеформационное поля земли - Г.СВартанян, Г.В.Куликов) необходимо учитывать, особенно в районах с активным тектоническим режимом. В этих районах накопление тектонических напряжений, по данным многих исследователей (Г.С. Вартаняна, Г.В. Куликова, В.П. Петренко, Б. А Тхостова), приводит к изме-

нению поля пластовых давлений, которое фиксируется в пределах локальных структур, гидродинамически изолированных друг от друга.

Если представить, что скорость приращения напряжений больше скорости перераспределения пластовых давлений в системе, то, пока меняются напряжения, пластовые давления в плане не будут распределены равномерно. В этом случае всегда будет существовать градиент пластовых давлений, что создает видимость местного или регионального движения подземных вод. На самом же деле происходит лишь перераспределение пластовых давлений в пределах гидродинамически изолированных частей разреза артезианских структур при постоянном накоплении и релаксации напряжений в системе вода - порода. Например, наблюдаемые наклонные водонефтяные контакты на локальных структурах могут являться следствием указанного процесса, а не регионального или локального движения подземных вод.

По данным В.П. Петренко, И.Г. Киссина, поле напряженности может влиять также на формирование химического состава подземных вод, что наблюдается в районах с повышенной сейсмической активностью. Переход твердого вещества в раствор, а также выпадение твердого вещества из раствора зависит при прочих равных условиях от давления в системе раствор - порода. Неравномерность полей напряженности и пластовых давлений и их изменение во времени должны приводить к дифференциации гидрогеохимического поля, что и наблюдается в действительности.

Приведем примеры, указывающие на то, что фундамент является связующим звеном между осадочным чехлом, корой и, возможно, верхней мантией.

По данным В.Б. Порфирьева и других, в изверженных и метаморфических породах кристаллического фундамента открыто 210 нефтяных и газовых месторождений (включая гигантские). Месторождение углеводородов в отложениях фундамента открыто в пределах Туранской плиты. Мощность нефтегазонасьпценной толщи фундамента обычно составляет первые десятки метров, но иногда достигает сотен метров. Например, на нефтяном месторождении Тотума - на глубину 900-1000 м.

Последние обобщения по нефтегазоносности и гидротермальной деятельности в породах фундамента приведены в работах (К.Е.Веселов и И.Н.Михайлов, 1994 и ДР-).

В Ферганской впадине, в районе Нарынской моноклинали, установлен приток углеводородно-углекислых газов и высокоминерализованных вод из юрских отложений, отделенных от фундамента пятиметровым слоем глин. В вышележащих меловых и палеогеновых отложениях фиксируются гидродинамические и гидрохимические аномалии. На площади Майми-Су непосредственно устанавливается формирование современной нефтяной залежи в VIII пласте палеогеновых отложений из водно-нефтяной смеси, мигрирующей по разломам фундамента и образующей локальную положительную аномалию гидра изопьез в этом горизонте.

На Балтийском кристаллическом щите, в районах, удаленных от осадочного чехла платформы на сотни километров, обнаружены минерализованные воды и рассолы. Они приурочены к зонам разломов и содержатся в породах архея и протерозоя. По данным В. Д. Безродного на руднике Сонча минерализация вод достигает 52 г/л. Содержание брома и йода составляет соответственно 288 и 73 мг/л. В растворенном газе

(в %): метан - 60,35, азот - 31,87, гелий - 3,8, тяжелые углеводороды - 2,32, аргон -1,84. Рассолы известны также в Ловозерском массиве. На глубине 1200 м минерализация подземных вод составила 51 г/л. По составу воды хлорвдные кальциево-натриевые. Содержание микрокомпонентов в них (мг/л): Sr-1150, Br - 272,1 - 8, В - 4, К - 60, Rb - 0.15, Pb - 0.13. В составе газа: метана - 63,3 %, водорода - 20 %, а остальное - тяжелые углеводороды. С увеличением глубины возрастает содержание мышьяка, марганца и алюминия.

В сверхглубокой скважине Кольского п-ва в интервалах глубин 4565-4925 м я 6170 - 7620 м вскрыты водонасьпценные сильно расслагаю ванные метаморфические породы среднего протерозоя и гранита гнейсы архея. При проходке этих интервалов концентрация хлора возрастала в 10-40 раз, а глинистый раствор приобретал аномальный состав (минерализация - 6,8 г/л, хлор - 82 экв - %, гидрокарбонаты - 13 экв-'/о, натрий - 99 экв-%). В этих зонах обнаружены новообразования высоководных минералов - каолинита и хлорита, формирующихся в присутствии высокотемпературных эастворов хлоридного состава. По расчетам В.Д. Безродного, во время нижнепалео-¡ойского вулканизма в пределах изученных глубин Ловозерского массива из верхней наитии внесено более 6 • 10й т вещества. Из них на долю хлора приходится 0,3 %, а юды 0,8 %. При этом концентрация мигрировавших и участвовавших в новоминера-юобразовании растворов приближалась к пределу насыщения по NaCl.

В пределах Татарского свода скважина, заложенная на фундамент, распо-южена в тектонически - активной зоне. В некоторых интервалах отмечены газопрояв-юния, интенсивность которых возрастала с глубиной более чем в 100 раз по сравнений с фоновой с одновременным увеличением в составе газа метана. В ряде образцов »бнаружен легкий маслянистый битум. Микротрещины полностью или частично зале-leiu-i битуминозным веществом. В интервале глубин 4140 - 4401 м и 4876 - 5006 м ^регистрированы значительные притоки воды, содержащей газ. Пластовые давления гревыщали гидростатические. В интервале опробования 4073-5099 м дебит флюида «ставил 120 м3/сут. Минерализация воды составила 282,9 г/л. Среди микрокомпонен-ов: йод - 83 мг/л, бром - 1,9 г/л. Породы фундамента подвергнуты интенсивной мета-оматической калиево-натриевой переработке.

В пределах Днепровско-Донецкой впадины с глубины 200 м ниже кровли фундамента получен приток газированной воды. В базальных конгломератах Панно-кой впадины вскрыта нефтегазоносная залежь с аномальным пластовым давлением, "ам же на глубине 100 м от поверхности фундамента вскрыты сверхнапорные флюиды (месторождение Аддье).

В Западно-Сибирском артезианском бассейне среди месторождений с АВПД меются месторождения, где АВПД установлены на границе фундамент - осадочный ехол (Фестивальное, Урманское), что косвенно свидетельствует о связи осадочного ехла с фундаментом.

В Припягской впадине в 160 скважинах, вскрывших фундамент, до глубины 00 м распространены сульфатные воды с минерализацией 1,5-2,0 г/л, на глубинах 00-400 м - хлоридные кальциевые и хлорвдные натриевые воды с минерализацией же более 100 г/л. В гранито гнейсах Канадского кристаллического щита большим

числом скважин на глубинах 500-600 м вскрыш подземные воды, минерализация ко торых составляет 25-40 г/л, а на глубине 1000 м - более 100 г/л.

В южной части Сибирской платформы площадь проявления киновари, гале шла, пирита и других минералов гидротермального происхождения значительна больше площади распространения траппов. Гидротермальным оруденением охваче: весь разрез осадочного чехла вплоть до четвертичных образований. Это свидегельсл вует о том, что последний этап гидротермальной деятельности происходил после на копления четвертичных отложений, т.е. совсем недавно. Изучение гидротермально] деятельности на древних платформах позволило А.А.Дзюбе сделать обоснованный i труднооспаримый вывод о значительной роли гидротермальных растворов.

По В.А. Кротовой, современные проявления гцдротерм установлены и ; морских акваториях. Во впадинах Красного моря с глубиной увеличиваются плот ность, соленость и температура. Так, температура в приповерхностном слое сосгавля ет 21 °С, на глубине 2200 м - 56 °С, а в донных слоях - 61 °С. Минерализация воды i придонных слоях - 310 г/л.

В связи с приведенным далеко не полным перечнем фактов, касающихс гидрогеологических особенностей фундамента, видимо не следует отрицать или при нижать роль фундамента, коры и верхней мантии в формировании глубоких подзем ных вод. В горных странах (Кавказ, Карпаты, Памир, Тянь-Шань) не вызывает со мнения связь минеральных и термальных вод со специфическими компонентами явн< эндогенного происхождения процессов гидротермального оруденения с влиянием гид ротерм корового и подкорового происхождения. Если исходить из единства процессо] развития Земли, то следует признать, что эти процессы могут протекать и на плат формах, но последствия их деятельности скрыты мощными толщами осадочных от ложений, однако они оставляют следы в виде различного рода аномалий (гидродина мических, гидрохимических, геотемпературных, газовых) и в виде широко развитоп вторичного минералообразования, эти проявления затухают вверх по разрезу и одно значно коррелируются с глубинными разломами.

Предлагаемая пульсационно-гцдрогеотермодинамическая модель являете: развитием уже существующих представлений. Гидроинжекционный тип формирова кия месторождений минеральных вод (Г.С.Вартанян ); Аникиев К.А. предлагает убе дательную газогеодинамическую модель (в его терминологии - теорию) формирова ния сверхвысоких пластовых давлений. Иванчук П.П. зарегистрировал открыл« "Явление гвдровулканизма в осадочном чехле земной коры".

Идея о роли коры и мантии в формировании глубоких подземных вод выска зывалась А-П.Виноградовым (1959), В.Ф.Дерпогольцем (1962), Л.Н.Капченко (1962) В.А.Сулиным (1946), В.АКротовой (1962, 1972), П.Н. Кропоткиным (1978). Ош предполагалась для условий Восточно-Предкавказского бассейна И.Г.Киссиньш (1964), К.А.Аникиевьм (1980) и мн. др. исследователями. Это представления Пейве П.Н. Кропоткина, Б.М. Валяева о значимой роли фундамента в формировании месторождений полезных ископаемых и, прежде всего углеводородов. Это представление многих исследователей о глубинной составляющей питания глубоких вод.

___ _ Основные выводы и защищаемые положения

1. Результаты изучения изменения фильтрационных свойств пород по напластованию водоносных горизонтов, моделирование плановых и плоских в разрезе задач, а также аналитические расчеты показали, что подземный сток, сформированный в краевых частях артезианских бассейнов (Западно-Сибирский, Восточно-Преякавказский, Бухаро-Каршинский), разгружается в непосредственной близости от региональных областей питания. В ряде случаев при хорошо развитой речной сети образуются замкнутые области формирования подземного стока (питание, движение и полная разгрузка) - Западная Сибирь.

При отсутствии дренирующего воздействия речной сети и за пределами областей с замкнутым формированием подземного стока разгрузка глубоких вод осуществляется путем перетекания в вышележащие отложения и опосредованно через них в речную сеть - Восточное Предкавказье, Бухаро-Каршинская область, Западная Сибирь - Восточное Приуралье.

Результаты исследований на конкретных объектах подтверждаются теоретическими расчетами по изменению горизонтальных и вертикальных фильтрационных сопротивлений в направлении периферия-центр артезианских бассейнов. Все это приводит к следующим выводам: а) во внутренние районы бассейнов в глубокие водоносные горизонты практически не поступает современного инфильтрационного питания. Ширина полосы, в пределах которой осуществляется практически полная разгрузка современного инфильтрационного питания, в зависимости от геологических и других условий строения краевых зон бассейнов составляет первые десятки километров и в редких случаях (юго-восточная часть Западной Сибири) превышает 100 км. •

В связи с этим классические представления об артезианском стоке в глубоких горизонтах осадочных толщ платформ, признающие: значимую роль горноскладчатых сооружений и периферии артезианских бассейнов в формировании глубоких вод; возможность передачи гидростатического давления на значительные расстояния и глубины; наличие гидродинамической взаимосвязи в пределах отдельных элементов разреза артезианских структур (водоносные горизонты и комплексы); существование региональных потоков глубоких подземных вод - находятся в противоречии с наблюдаемыми в настоящее время фактами и требуют пересмотра.

Региональные потоки в глубоких горизонтах артезианских бассейнов в принципе существовать не могут. Массоперенос в глубоких горизонтах осадочных толщ платформ (зона весьма замедленного водообмена) формируется вне связи с краевыми зонами артезианских бассейнов, под влиянием внутренних, главным образом, эндогенных факторов.

2. Результаты моделирования элизионных процессов с целью оценки их роли на формирование поля пластовых давлений, как на примере тестовых задач, так и на реальных артезианских бассейнах (Западно-Сибирский, Восточно- Предкавказский), показали незначимую роль этих процессов в питании глубоких вод и, как следствие, в формировании пластовых давлений. В связи с этим можно уверено утверждать, что палеогидрогеологические построения, основанные на доминирующей роли элизионных процессов в формировании поля пластовых давлений глубоких горизонтов, не-

достаточно обоснованы. Преобразование глинистых пород без сомнения сопровождается выделением больших объемов поровой и кристаллизационной воды. Но этот процесс растянут на согни миллионов лег, и является, по существу, стационарным. Как показывает моделирование процесса фильтрационной консолидации, скорость перераспределения порового давления при уплотнении глинистых пород в нормальных условиях (отсутствие гидродинамически непроницаемых границ различного генезиса) значительно больше скорости приращения горного давления, обеспечивающего компрессионное сжатие. Поэтому элизионные процессы не могут определять формирование поля пластовых давлений зоны весьма замедленного водообмена. В связи с этим, палео гидродинамические карты, построенные только на основе элизионных представлений (без учета граничных условий, фильтрационных свойств водовме-шдющих и слабопроницаемых пород и др.), не соответствуют действительности. При современном уровне знаний об объекте исследования заниматься палеогидро геологическими построениями следует с большой осторожностью. С еще большей осторожностью можно использовать палеогидрогеологические построения для обоснования критериев поиска месторождений полезных ископаемых (нефть, газ, подземные воды различного целевого назначения). Под собственно элизионным процессом следует понимать рассредоточенную во времени и в пространстве восходящую миграцию поро-вых и кристаллизационных вод, доля которых в единицу времени и с единицы площади в общем, водном балансе артезианских структур чрезвычайно мала и может играть значимую роль лишь при идеальных условиях изоляции отдельных частей разреза.

3. Результаты моделирования северной части Печорского артезианского бассейна, а также детальный анализ распределения пластовых давлений на отдельных хорошо изученных структурах высокого порядка (более 200, не считая описанных в обширной литературе) показали что в подавляющем большинстве случаев наблюдается сложная картина распределения градиентов пластовых давлений, как между структурами, так и внутри их. Такая же ситуация наблюдается с градиентами концентраций и температур. Это наиболее показательно на тех структурах, на которых эти параметры определялись на одной и той же глубине, что не вызывало необходимости применения традиционных методов приведения к равным глубинам.

Наличие разнонаправленнных градиентов пластовых давлений, концентраций и температур привод ит к выводу о том, что глубокие водоносные горизонты представляют собой систему блоков с отсутствием или весьма слабой гидродинамической связью между собой во всех направлениях. Такая ситуация формируется в результате совокупного действия многих факторов, прежде всего тектоники (геодинамики) и физико-химических процессов в системе "вода - газ - порода".

Слоисто-блоковое строение является неотъемлемой особенностью глубоких горизонтов, т.е. общей закономерностью. Меняется лишь масштаб неоднородности. Размеры блоков в плане могут меняться от десятков и сотен метров в тектонически -активных районах (области сочленения платформ с горным обрамлением, краевые прогибы, внутриплатформенные авлакогены, современные геосинклинали) до первых десятков километров в районах со спокойными тектоническими условиями. Формирование поля пластовых давлений в отдельных блоках связано с кратковременными или

длительными квазипериодическими изменениями напряженного состояния в осадочном чехле эндогенного происхождения. Гидродинамическая взаимосвязь между блоками на протяжении геологической истории может изменяться (восстанавливаться или усиливаться) в периоды тектонической активности, при интенсивной антропогенной нагрузке (значительные депрессии на пласт при разработке месторождений полезных ископаемых или, наоборот, существенное повышение пластовых давлений при законтурном обводнении или захоронении жидких промышленных отходов). Эти процессы сопровождаются существенным изменением поля пластовых давлений в отдельном блоке и, в связи с этим, формированием трещин гидроразрыва.

4. Наличие экстремумов (пьезоминимумы и пьезомаксимумы) в поле пластовых давлений, температур и концентраций глубоких горизонтов, связанных с отдельными блоками пластовой системы, невозможно без существования непроницаемых или слабопроницаемых границ в относительно однородных по лтшогическому составу и одновозрастных водоносных комплексах. Генезис этих границ различный. На этой стадии исследований можно с определенной долей условности выделить следующие типы границ: тектонические (с различными подтипами), литолого-фациальные и минералого-геохимичесхие. В различные периоды геологической истории развитая артезианских бассейнов эти границы могут становиться хорошо проницаемыми, а в другие непроницаемыми или елабопроницаемьши.

5. Анализ обширной литературы по формированию аномально высоких пластовых давлений, а также собственные исследования автора (моделирование времени существования АВПД, моделирование распределения перовых давлений внутри формирующейся глинистой толщи, моделирование распределения давлений при геодинамических процессах различного знака - сжатие или растяжение) показало, что основными процессами формирования АВПД совместно или порознь могут быть: а) тектонические силы, и в первую очередь проявляющиеся мгновенно; б) гидротермальная деятельность и поступление газо-водяной смеси из глубоких горизонтов в периоды тектонической активности; в) мощные локальные тепловые потоки, значительно повышающие температуру в отдельных элементах разреза осадочного чехла и меняющие термодинамическое равновесие.

6. Существование гидродинамически изолированных блоков исключает возможность широких процессов латеральной миграции, которые, по-видимому, ограничены размерами блоков. Отличительной особенностью глубоких горизонтов является преимущественно вертикальная миграция, которая обеспечивается гидротермальной деятельностью и наиболее активно проявляется в периоды активизации тектонических процессов. В периоды тектонического покоя (стабилизации) массоперенос осуществляется, по-видимому, на молекулярном уровне, а конвективный перенос может происходить по незалеченным разломам (между блоками), имеющим связь с земной корой (возможно, с верхней мантией) и с приповерхностными водоносными-горизонтами осадочных толщ платформ (Н-й и 1-й гидрогеологические этажи).

Формирование глубоких вод зоны весьма замедленного водообмена можно представил, в виде пульсационно-гидрогеотермодинамической модели. В периоды тектонической активности в осадочный чехол платформ под большим давлением осу-

ществляется внедрение газо-водяной смеси, которая подобно интрузивному телу разрывает нижнюю часть осадочного чехла, образуя меж- и внутрипластовые "залежи", распространяющиеся на расстояния в десятки, возможно, сотни километров от очага внедрения. По мере проникновения (продвижения) энергия газо-водяной смеси расходуется на совершение работы по преодолению горного давления и сил сцепления, на деформацию пород и образование трещин гидроразрыва и т.п. Здесь можно провести аналогию с внедрением интрузивных тел в осадочный чехол.

В результате внедрения газо-водяной смеси нарушается сложившееся на этот момент времени термодинамическое равновесие в системе "вода - газ - порода". Это приводит к активизации физико-химических процессов в системе, сопровождающихся фазовыми переходами. В определенных термодинамических условиях в упруго-деформируемой среде вторичная тектоническая трещиноватость и трещины гидроразрыва залечиваются новоминералообразованиями, проявление их в реальных условиях наблюдается едва ли не повсеместно.

Процессы новоминерадообрззования наиболее активно протекают на геохимических барьерах, которые, в общем случае, совпадают в разрезе с лиголого-фациалъными границами, а в плане - с областями экстремальных значений градиентов пластового давления и температуры.

Быстротечное внедрение газо-водяной смеси может завершаться длительными, затухающими во времени процессами гидротермальной деятельности с постепенной сменой химического, газового составов и температур гидротерм (вплоть до холодных).

Перераспределение внутри вновь образованного поля пластовых давлений и стремление системы "вода - газ - порода" к термодинамическому равновесию приводит к возникновению непроницаемых границ (полное залечивание поровой и трещинной емкости) и к формированию гидродинамически изолированных блоков, которые "запечатываются" (самоизолируются) при активных процессах новоминералообразо-ваяия на их границах. Именно по этой причине наблюдается неоднородность поля пластовых давлений во всех направлениях. По этой же причине на коротких расстояниях меняются минерализация, содержание микрокомдонентов и палинологических форм, газовый состав, тип органического вещества, наблюдаются другие аномалии.

7. Вследствие блокового строения глубоких горизонтов понятие "водоносный комплекс" ("горизонт") теряет свой смысл в общепринятом понимании и отражает лишь стратиграфическую принадлежность того или иного элемента разреза. Другими словами для различных частей одного и того же стратиграфического элемента разреза осадочного чехла платформ отсутствует единство условий формирования глубоких подземных вод. Это подтверждается существенными отличиями в смежных блоках полей пластовых давлений, температур, гидрохимического поля и другими особенностями. Правильнее, видимо, говорить не о водоносных комплексах (горизонтах), а о подземных водах, приуроченных к тем или иным стратиграфическим таксонам (единицам).

8. Глинистые породы, проходя длительный и сложный процесс преобразования при погружении (уплотнение, минералогические структурно-текстурные измене-

ния в ряду монтмориллонит - .хлорит и глины - аргиллит - глинистый сланец), превращаются в породы с жесткими структурно-кристаллическими связями, теряют пластичность и приобретают способность к трещинообразованию. На глубинах свыше 2200 м (реже более) их следует рассматривать как трещинные коллектора. На всех уровнях геологического разреза осадочного чехла платформ глинистые породы являются проницаемыми. Исключение составляют случаи, когда поровое и трещинное пространство выполнены новоминералообразованиямн. В этих случаях они могут на некотором этапе геологического развития артезианских структур играть роль флюидо-упоров (покрышек), в том числе для месторождений углеводородов.

8. Анализ многочисленной опубликованной и рукописной литературы по формированию коллекгорских свойств на больших глубинах показывает, что сложные и многообразные эпн- и катагенетические преобразования терригенных и карбонатных коллекторов приводят к практически полному сокращению поровой проницаемости на отдельных участках. На больших глубинах проницаемость коллекторов обеспечивается, в основном, трещинами различного генезиса. Вертикальная миграция "чуждых" по химическому и газовому составу растворов может привести к частичному или полному залечиванию трещщюватости, и в этих случаях коллектора могут стать непроницаемыми и играть роль изолирующих покрышек для месторождений углеводородов и подземных вод. И, наоборот, традиционно относящиеся к непроницаемым (слабопроницаемым) породы (преимущественно глинистые) могут быть коллекторами. Таким образом, все породы независимо от их генезиса и литологического состава в различные периоды геологического развития артезианских структур могут быть коллекторами или флюидоупорами.

На границах смены литологического состава горных пород существуют наиболее благоприятные условия для залечивания трещиноватости (смена геохимической обстановки). По этой причине в вертикальном направлении хорошо проницаемые породы (центральные части блоков) чередуются с практически не проницаемыми (краевые части блоков). Исключение составляют субвертикальные зоны долго живущих разломов, по которым систематически происходят малоамплитудные и малоскоростные подвижки, приводящие к нарушению сплошности пород в зонах разломов. Те же разломы, которые оживают лишь в периоды тектонической активности, большую часть геологического времени оказываются залеченными. В целом, фильтрационные н емкостные свойства пород глубоких горизонтов осадочных толщ платформ характеризуются резкой анизотропией во всех направлениях, прогнозировать которую пока не представляется возможным.

9. Слоисто-блоковое строение глубоких горизонтов необходимо учитывать при интерпретации данных по пластовым или приведенным давлениям. Это так же необходимо, как необходимо учитывать роль поверхностных факторов (реки, водоемы, источники и др.) при построении карт уровенной поверхности для водоносных горизонтов зоны активного водообмена.

Известно, что не интерполируются'линейно уровни воды в скважинах, расположенных на смежных водоразделах и разделенных рекой; или в скважинах, находящихся по разные стороны водораздела. В практике при построении региональных пье-

зометрических карг глубоких водоносных горизонтов вовсе не учитываются разрывные нарушения и структурно-тектонические условия. Однако намечается некоторая аналогия между водоносными горизонтами зон активного и весьма замедленного водообмена. Только в первом случае формирование пьезометрической поверхности контролируется поверхностными факторами, а во втором, в основном (но не в целом), внутренними границами (разрывными нарушениями и структурно-тектоническим планом территории).

Поэтому при построении пьезометрических карт глубоких водоносных горизонтов, прежде всего необходимо учитывать всю имеющуюся информацию по отдельным хорошо изученным структурам и площадям, не осредняя ее и не опираясь на одно, выбранное из многих, значение пластового давления. Т.е. изучение поля пластовых давлений необходимо осуществлять по каждой структуре (площади) отдельно. Это позволит выявить внутренние границы в структурах и между ними. Только такой подход даст возможность правильно представить направления движения глубоких вод как в региональном плане для артезианских бассейнов в целом, так и для отдельных их частей, а также с достаточным обоснованием проводил, интерполяцию между отдельными точками.

Исходя из изложенного выше основные защищаемые положения сводятся к следующему.

1) Региональные потоки в глубоких горизонтах артезианских бассейнов, включая элизионные, в принципе существовать, не могут. Подземный сток, сформированный в периферийных частях артезианских структур, разгружается в непосредственной близости от региональных областей питания.

2. Глубокие водоносные горизонты платформ представляют собой систему блоков с отсутствием или весьма слабой пространственной гидродинамической связью между собой. Слоисто-блоковое строение подтверждается мозаичностью не только поля пластовых давлений, но и температурного поля и поля концентраций, а также радом других аномалий. При этом четко прослеживается связь с глубинными разломами, затрагивающими осадочный чехол, и с внутренним структурным планом артезианских бассейнов, являющимся унаследованным от фундамента. Вверх по разрезу уменьшается (затушевывается) роль фундамента, по этой причине вырождаются и блоки.

3. В глубоких горизонтах осадочных толщ платформ существуют границы различного генезиса: тектонические, лиголого-фациальные, минералого-геохимические, которые частично или полностью изолируют блоки.

4. Формирование глубоких вод зоны весьма замедленного водообмена можно представить в виде пульсационно-гидрогеотермодинамической модели. В глубоких горизонтах существует преимущественно вертикальная миграция по глубинным разломам, имеющим связь с корой и верхней мантией. По этим разломам осуществляется гидротермальная деятельность, наиболее активно протекающая в периоды активизации тектонических процессов. Поднимаясь вверх по ослабленным зонам га-зо-водяная смесь образует ореолы вторжения, формируя неоднородность геологических полей. В постгидротермадьный период времени происходят фазовые переходы

в системе газ - вода - порода, приводящие к формированию границ различной проницаемости (вплоть до непроницаемых) и направления и как следствие к самоизоляции отдельных частей разреза.

5. Формирование поля пластовых давлений и их градиентов в отдельных блоках связано с кратковременными или длительными квазипериодическими изменениями напряженного состояния в осадочном чехле.

6. Слоисто-блоковое строение необходимо учитывать при постановке поисково-разведочных работ, при оценке запасов и разработке месторождений полезных ископаемых.

Список основных работ по теме диссертации

1. Некоторые приемы статистического анализа химического состава подземных вод. М.,МГУ,1969.

2. Формирование напоров подземных вод глубоких горизонтов (соавтор Ма-нукьян ДА.). Бюлл. МОИП. отд. геол., 1974, №4.

3.Миграция поровых вод в уплотняющихся осадках (соавтор Всеволожский В.А.). М.,МГУ, 1971.

4. К вопросу о проседании земной поверхности. Сыктывкар, 1972.

5. О некоторых закономерностях формирования гидродинамической зональности артезианских бассейнов платформенного типа, (соавтор Всеволожский В.А_). Вестник МГУ, сер. геология, №4,1972.

6. Происхождение аномально высоких пластовых давлений. МГУ, 1972.

7. Динамика подземного стока в нижнем гидрогеологическом этаже ЗападноСибирского артезианского бассейна, (соавтор Всеволожский В.А., Бурова H.H.). М. МГУ, 1972.

8. Некоторые закономерности формирования и изменения проницаемости отложений Западной Сибири (соавтор Штенгелов P.C.) Бюлл. МОИП, 1973, № 4.

9. Динамика подземного стока в отложениях апт-сеноманского комплекса Западно-Сибирского артезианского бассейна (соавторы Всеволожский В.А., Бурова H.H.). Ленинград, 1972.

10. О направлении миграции поровых вод в уплотняющихся осадках, (соавтор Всеволожский В.А.). М. МГУ. 1973.

11. О времени существования аномально высоких пластовых давлений. М„ МГУ, 1973.

12. О Палеогидродинамической реконструкции артезианских б0ссе|1Щ>в. (соавтор Всеволожский В. А.). М., МГУ, 1974. , >

13. Количественная оценка "элизионного" питания-ра jaomancy подземных «од. М., МГУ, Л976.

14. Пространственное изменение водопроводамостк отложений Западной Сибири. М., МГУ, 1976.

15. Общие закономерности динамики подземного стока на элизионных этапах развития артезианских структур, (соавтор Всеволожский В.А.). Бюлл. МОИП, сер. геол. 1975, № 5.

16. Исследование подземного стока артезианских структур, (соавтор Всеволожский В.А., Бурова Н.Н.). М., МГУ, 1976.

17. Определение коэффициента фильтрации по данным компрессионных испытаний. (соавторы Бриллняг И.А., Алексеенко Г.П.). Киев, 1976.

18. Разломы н их гидрогеологическая роль, (соавтор Зеленцова Н.И.). М., МГУ, 1977.

19. Основные закономерности формирования подземного стока и источников эксплуатационных запасов подземных вод Балтийского щита в связи с охраной водных ресурсов. (соавтор Иванова О. А.). Бюлл. МОИП, отд. геол. 1981.

20. Методы и принципы изучения гидродинамики глубоких горизонтов. М., ВИЭМС, 1981.

21. О построении пьезометрических карг подземных вод нефтегазовых горизонтов. Вестник МГУ, сер.4, геология 1983, № 2.

22. Изменение концентрации трития в подземных водах как показатель водообмена в различных гидрогеологических структурах зоны освоения БАМ (соавтор Афанасенко В.Е. и др.). М., В кн. "Изотопы в гидросфере". М., 1981.

23.0 процессах формирования порового давления в уплотняющихся осадках, (соавтор Адилов В.Б.).

24. Региональная гидрогеологическая модель Западно-Сибирской плигы (соавтор Иванова О.А.). XI совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. Иркутск-Чита, 1985.

25. Теоретические вопросы гидрогеологии глубоких горизонтов. Бюлл. МОИП, сер. геол., 1986,т.61 вьш.1.

26. К теории формирования глубоких вод платформ. Тез. ГУ" междуя. геол. конгресса. М., "Наука", т.£Х,ч.2.

27. Методика изучения глубокого подземного стока. М., Недра, 1985.

28. Генезис границ, формирующих блоковую структуру потоков глубоких подземных-вод.( Всеволожский В.А, Корзун АВ.). МГУ Тез. докл. Ломоносовских чтений; 1995.

29. Блоковая гидродинамика глубоких горизонтов и генезис внутренних границ. (соавтор® Всеволожский В.А, Корзун АВ.) Москва, МГУ, 1995.

30. Флюидодинамика блоков глубоких пластовых систем, (соавтры Всеволожский В.А, Корзун АВ.). Москва, МГУ, 1996.

31. Обоснование модели формирования глубоких пластовых фхвоидов. (соавтор. Всеволожский В. А). Тезисы докладов Международной научне-пракгачее*рй

' конференции "Проблемы нефтегазогеологической жуки и перспектив» развития топ-„ливне-энергетического комплекса Туркменистана". Ашгабат, 1996.

32. К обоснованию гидродинамической медеаи гаубовдх водоносных гори-зокйяг (соавтор Всеволожский В.А) Водные ресурсы. 1998, №2.

___________33. Анализ закономерностей гидродинамики глубоких горизонтов, (соавтор

Всеволожский В. А.). Вестник МГУ, сер 4, геология, № 3,1996.

34. Гидродинамические условия Наульского нефтяного месторождения, (соавторы Корзун A.B., Яковлев Г.Е.) Весшик МГУ, сер.4, геология, № 4, 1993.

35. Гидродинамическая модель нефтегазоносности севера Тимано-Печорсхого нефтегазоносного бассейна, (соавторы Караул А:В., Яковлев Г.Е.). В сб. Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. Тез. Международной конференции. Москва, 1997, с.61-62.

36. Основные проблемы.гидрогеологии глубоких горизонтов слоистых систем платформ, (соавторы Всеволожский-В. А:", Корзун A.B.). В сб. ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения". М., 1997.

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Дюнин, Валерий Иванович, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. Ломоносова Геологический факультет Кафедра гидрогеологии

УДК 556.33.62

На правах рукописи Дюнин Валерий Иванович

Гидрогеодинамика глубоких горизонтов платформ

Специальность - 04.00.06 - Гидрогеология

Содержание

Введение................................................................................................1

Часть I. Научно - методическая.....................................................5

Глава I. Существующие представления о движущих силах и региональных особенностях гидрогеодинамики глубоких горизонтов.............. 5

Глава 2. Методы изучения гидрогеодинамики глубоких подземных

вод................................................................................................................. 19

Часть II. Основные факторы и процессы формирования гидрогеодинамики глубоких подземных вод артезианских бассейнов.......................... 40

Глава 3. К вопросу о роли региональных областей питания в формировании глубоких подземных вод и гидродинамическая зональность артезианских бассейнов.........................................................................................40

Глава. 4 Элизионное питание и палеодвижение глубоких вод....... 50

Глава. 5 Генезис аномально высоких пластовых давлений............. 64

Глава. 6 Формирование фильтрационных свойств пород глубоких

горизонтов артезианских структур............................................................... 98

Формирование коллекторских свойств терригенных пород............. 100

Формирование коллекторских свойств карбонатных пород............ 122

Формирование глинистых коллекторов........................................... 127

Часть III. Гидрогеодинамические обстановки артезианских

бассейнов............................................................................................. 147

Глава 7. Гидрогеодинамика глубоких горизонтов ЗападноСибирского артезианского бассейна........................................................... 148

Глава 8. Гидрогеодинамика глубоких горизонтов северной части

Печорского артезианского бассейна...........................................217

Глава. 9 Гидрогеодинамика глубоких горизонтов Восточно- Пред-кавказского артезианского бассейна.......................................................... 262

Глава 10. Гидрогеодинамика глубоких горизонтов Бухаро-

Каршинского артезианского бассейна....................................................... 319

Глава 11. Тепло- массоперенос в глубоких горизонтах артезианских

бассейнов..................................................................................................... 343

Глава 12 [Генезис границ, формирующих слоисто-блоковое строение ^

глубоких горизонтов платформ...................................................................364

Глава 13. Принципиальная модель движения глубоких вод артезианских бассейнов...................................................................................371

14. Основные выводы и защищаемые положения.............................392

Список литературы.............................................................................402

Введение

С глубокими горизонтами артезианских бассейнов слоистых систем платформ связана подавляющая часть нефтегазовых месторождений и значительные запасы минеральных, промышленных и термальных вод. В последние годы увеличиваются глубины разведочных и эксплуатационных скважин. В связи с этим изучение глубоких подземных вод приобретает особое значение как в научном, так и в практическом отношении. Решение проблемы формирования глубоких подземных вод позволило бы решить многие вопросы практической геологии и разработать гидрогеологические критерии поисков месторождений полезных ископаемых и прежде всего углеводородов. Однако в настоящее время проблема формирования глубоких подземных вод далека от своего решения. Связано это прежде всего со сложностью объекта исследования.

Сложность объекта исследования заключается в том, что глубокие подземные воды обладают переменной в пространстве плотностью, их формирование осуществляется в упруго-деформируемых средах и нередко сопровождается фазовыми переходами в система раствор-горная порода. Некоторые из научных проблем гидрогеологии глубоких горизонтов можно представить следующим образом: а) движутся или не движутся глубокие воды и если движутся, то под действием каких сил?; б) положение в пространстве областей питания, движения и разгрузки глубоких вод; в) роль вмещающих пород (включая глинистые) на формирование глубоких вод; г) палеогидрогеологические аспекты формирования глубоких вод; д) взаимодействие фундамента и осадочного чехла артезианских бассейнов; е) геодинамика и формирование глубоких вод и др.

Многие из перечисленных проблем не имеют окончательного решения и нередко результаты исследований в пределах одного региона противоречат друг другу.

Подчеркнем, что эта проблема является не только гидрогеологической, но в значительной степени геологической. Без привлечения достижений смежных геологических наук о Земле (истории геологического развития, геодинамики, литологии, минералогии, механики грунтов, термодинамики и др.) решить ее практически невозможно. Именно по этой причине для ее успешного решения необходим комплексный подход.

Целью исследования являлось изучение гидрогеодинамимики глубоких горизонтов слоистых систем платформ.

Задачи исследования:

- анализ существующих методов приведения пластовых давлений и обоснование метода, используемого в исследованиях автора;

- изучение поля пластовых давлений (гидродинамического потенциала) в естественных и в отдельных случаях нарушенных условиях;

- оценка роли периферии артезианских бассейнов на формирование глубоких подземных вод;

- изучение процессов формирования фильтрационных свойств водовме-щающих пород на больших глубинах и их изменения во времени и пространстве;

- изучение гидрогеохимического и температурного полей;

- изучение условий формирования и сохранения аномально высоких пластовых давлений;

- оценка роли элизионных процессов на формирование глубоких подземных вод;

- оценка роли современных геодинамических процессов на формирование поля пластовых давлений;

- изучение гидродинамической связи между фундаментом и осадочным чехлом и разработка принципиальной модели движения глубоких подземных вод.

Методы исследования: 1) Сбор, анализ и обобщение фондовых и опубликованных материалов по гидродинамическому, гидрогеохимическому опробованию глубоких скважин; тектонике (неотектонике), палинологии, фильтрационным свойствам пород и др. материалы; 2) Комплексный анализ всего имеющего материала по опробованию глубоких горизонтов; 3) построение специальных карт и разрезов; 4) Моделирование гидрогеодинамических условий конкретных объектов в различных масштабах - от крупных регионов (Печорский артезианский бассейн) до конкретных участков; 5) моделирование тестовых задач в факторно-диапозонной постановке для оценки влияния тех или иных процессов на формирование глубоких вод.

Используемые материалы: при анализе гидрогеодинамических условий на конкретных объектах использовалась исключительно первичная информация, содержащаяся в актах испытания скважин, достоверность которой оценивалась. Широко использовалась обширная информация в опубликованной литературе. Всего было использовано материалов по более 200-м опробованных площадей (структур, месторождений), несколько тысяч скважин по различным регионам России и СНГ.

Объекты исследования: В качестве основных объектов исследования были выбраны 4 артезианских бассейна: Западно-Сибирский, Восточно-Предкав-казский, Печорский и Бухаро-Каршинский, которые существенно отличаются

друг от друга временем образования, структурно-тектоническими, геологическими и гидрогеологическими условиями, составом водовмещающих пород и др. Кроме того изучались гидрогеодинамические условия Днепровско-Донецкой и Припятской впадин, и Ферганской внутригорной впадины, которые не представлены в настоящей работе из-за ограничений, существующих на объем работы.

Представляемая работа есть плод более 20-летней работы автора над этой сложной проблемой. Автор благодарит многих специалистов в этой области, помогавшим автору в работе. Особую признательность выражает В.А. Всеволожскому, A.B. Лехову, A.B. Корзун за помощь и поддержку, Т.С. Строгановой за редакцию работы и техническую помощь, а также всем сотрудникам кафедры гидрогеологии Геологического факультета МГУ за помощь в работе, а главное за доброжелательную критику.

Часть I. Научно - методическая.

Глава I. Существующие представления о движущих силах и региональных особенностях гидрогеодинамики глубоких горизонтов.

Изучением гидрогеологии артезианских бассейнов вообще и гидрогеодинамикой в частности занимались многие исследователи: Н.К. Игнатович, B.J1. Личков, Ф.А. Макаренко, М.А. Гатальский, И.К. Зайцев, А.Н. Каменский, A.A. Карцев, А.И. Силин-Бекчурин, A.M. Овчинников, Е.В. Пиннекер, Н.И. Толстихин, В.А. Кротова, В.А. Всеволожский, И.Г. Киссин, В.Ф. Дер-пгольц, В.В. Колодий, A.B. Кудельский, М.И. Зайдельсон, В.Н. Корценштейн, Н.М. Кругликов, А.Г. Арье, С.И. Смирнов, С.С. Бондаренко, А.Е. Ходьков, Г.Ю. Валуконис, В.А. Кирюхин, С.А. Шагаянц, JI.B. Боревский и мн. другие.

В 30-х годах B.C. Ильин и В.Л. Личков предложили гидродинамический критерий - местный базис эрозии, отделяющий грунтовые воды от артезианских, т. е. по существу были выделены две гидродинамические зоны. Это деление вскрыло существующую в природе вертикальную зональность: существование зон с различными гидродинамическими условиями.

В 1931 г. П.И. Бутов ввел понятие о зонах "активного" и "пассивного" водообмена. В 1937-39 гг. Ф.А. Макаренко (для района Мацесты) [101,102] ив 1939 г. Н.К. Игнатович (для Русской платформы), изучая условия формирования, включая химический состав подземных вод, пришли к выводу о существовании трех гидродинамических зон. Подробная схема гидродинамической зональности была разработана и опубликована Н.К. Игнатовичем в 1944 г., она сводится к следующему: в разрезе артезианских бассейнов выделяются три гидродинамических зоны [115,116].

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 (рис. 1.6). Зона характеризуется наличием ряда физико-химических процессов (обменные процессы, диффузия, сорбция, осмос и др.).

В дальнейшем некоторые основные положения схемы гидродинамической зональности Н.К. Игнатовича подвергались доработке и дополнениям, а иногда и пересмотру в работах ряда исследователей.

Так, М.А. Гатальский [48-50] считал необходимым выделение четвертой гидродинамической зоны - "значительного водообмена", которая по его мнению располагается между зонами активного и замедленного водообмена Н.К. Игнатовича. Выделение четвертой зоны М.А. Гатальский обосновывает наличием четко выраженного дренажа рассолов в прибрежных районах. Зона значительного водообмена, по мнению автора, лежит ниже местного базиса эрозии.

И.К. Зайцев [102,103] соглашается с тем, что в общем случае в вертикальном разрезе бассейна выделяются три гидродинамические зоны: свободного, затрудненного и весьма затрудненного водообменов. По интенсивности, направлению и условиям движения и формирования вод в этих гидродинамических зонах автор предлагает объединять их в два гидродинамических этажа: верхний и нижний. Причем верхний этаж охватывает зоны свободного и затрудненного водообменов и характеризуется интенсивным движением воды, которое определяется, в основном, гидростатическим напором. Нижнему гид-

т

родинамическому этажу соответствует зона весьма затрудненного водообмена. Движение флюида происходит медленно, главным образом, под влиянием тектонических подвижек, обуславливающих появление пластовых давлений, превышающих нормальное гидростатическое.

По современным условиям нижнего гидродинамического этажа И.К.Зайцев подразделил артезианские бассейны на три типа [103]:

- бассейны, в нижнем гидродинамическом этаже которых пластовое давление больше нормального гидростатического. Движение флюидов происходит из наиболее погруженных частей к периферии (рис. 1.1 .в) или вверх по тектоническим нарушениям (Северо-Каспийский, Терско-Каспийский, Азово-Кубанский, Рионо-Куринский и др., располагающиеся в областях с активной тектоникой);

- бассейны, в нижнем гидродинамическом этаже которых распространено нормальное гидростатическое давление и движение подземных вод практически отсутствует (рис. 1.1.6). Разгрузка происходит в незначительном объеме по тектонически ослабленным зонам (Московский, Волго-Камский, Севе-ро-Двинский);

- бассейны, в которых в нижнем гидродинамическом этаже происходит перераспределение давлений в связи с изменением гипсометрического положения, в результате современных тектонических движений (ЗападноСибирский).

Однако, к этому времени так и не был сформулирован количественный

/

критерий выделения гидродинамических зон. Д.Н. Каменский [119] предлагал осредненный коэффициент водообмена по водоносному горизонту в целом, но он не получил развития из-за скудности эмпирического материала для расчетов. И в большинстве случаев исследователи определяли границы гидродинамических зон по геологическому строению региона, по минерализации и химическому составу подземных вод.

$

Периферия

Периферия

проницаемые породы слабопроницаемые породы

направление движения подземных вод

море

Рис. I.

Принципиальная схема распределения напоров и набавлений движения подземных вод артезианских бассейнов

В работах В.А. Всеволожского наиболее крупным стратификационно-гидродинамическим элементом является гидрогеологический этаж, выделенный на основе "единства условий формирования региональной динамики потоков подземных вод" [35-36]. В качестве общего показателя, определяющего условия формирования подземного стока гидродинамического этажа, им рассматривается "характер и степень связи подземных вод с современной поверхностью", являющейся верхней гидродинамической границей бассейна. Границами гидродинамических этажей служат регионально выдержанные водоупо-ры. Разрез артезианского бассейна В.А. Всеволожский расчленяет на четыре гидрогеологических этажа:

Первый (верхний) структурно-гидрогеологический этаж охватывают ту часть платформенного чехла, где подземные воды имеют тесную гидравлическую связь с верхней гидродинамической границей. Здесь формируются местные потоки подземных вод, обусловленные современным рельефом и гидрографической сетью;

Второй структурно-гидрогеологический этаж включает в себя те водоносные комплексы разреза, которые имеют выход на дневную поверхность на периферии бассейна и, следовательно, гидравлическую связь с современной поверхностью, но на большей части своего распространения изолированы от поверхности и первого структурно-гидрогеологического этажа регионально выдержанным водоупором. Для этажа характерно наличие региональной динамики потоков подземных вод, определяемого расположением основных областей питания и разгрузки. Здесь также могут существовать и местные потоки подземных вод;

Третий (нижний) структурно-гидрогеологический этаж объединяет водоносные комплексы, не имеющие гидравлической связи с современной поверхностью бассейна. Отсутствие этой связи предполагает, что основным фактором формирования глубокого подземного стока является внутренний струк-

турный план бассейна и внутренние источники питания. В соответствии с этим и образуется местные потоки;

Четвертый этаж - это фундамент бассейна, он отличается от других этажей неоднородным строением, анизотропией фильтрационно-емкостных свойств.

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.

Автор настоящей работы 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 [87]. 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 пит