Гидродинамическая зональность Уральской скл. области .

 

Проблема региональной гидрогеодинамики Урала, как и других складчатых областей, является сложной и во многом неопределенной. Основные сложности связаны не столько с расшифровкой особенностей регионального движения подземных вод (с этим все более менее ясно), сколько с принципами выделения гидродинамических зон разреза и определением положения их границ.

Верхняя гидродинамическая зона складчатой области может быть выделена в объеме верхней зоны (экзогенной?) трещиноватости и закарстованности горных пород. Мощность этой зоны определяется двумя основными факторами:

- отметками рельефа и степенью эрозионной расчлененности;

- составом водовмещающих пород, определяющим интенсивность (и глубину) развития экзогенной трещиноватости и закарстованности.

- в определенной степени это связано также с климатическими условиями территории (широтная зональность), определяющими общее ухудшение условий питания п. в. и водообмена в направлении от Северного Урала к Южному.

В метаморфических, вулканогенно-осадочных и интрузивных породах мощность верхней трещиноватой зоны как правило не превышает 100 м., сокращаясь на участках распространения слаботрещиноватых существенно глинистых пород (филлиты, сланцы) до 20–30 м. На участках распространения интенсивно закарстованных карбонатных пород мощность верхней («экзогенно нарушенной») зоны изменяется от 300–500 м. на Северном–до 50–100 м. на Южн. Урале. На отдельных участках территории Сев. Урала мощность этой зоны по имеющимся данным может достигать 1000 м. и более. Вся эта часть г/г разреза в большинстве случаев рассматривается как «единый водоносный горизонт» верхней зоны экзогенной трещиноватости и закарстованности горных пород, в которой формируется система «местных потоков» подземных вод, связанных с рельефом и гидрографической сетью территории. В адартезианских бассейнах Западно–Уральской зоны складчатости и в крупных синклинальных структурах Восточно–Уральского поднятия при относительно пологом залегании слоев и наличии терригенных «разделов» между закарстованными пачками карбонатных пород возможно формирование водоносных горизонтов типа межпластовых, с напорными водами пьезометрические уровни которых на пониженных участках устанавливаются выше уровня грунтовых вод (самоизлив). Исходя из условий формирования п. в. и их тесной связи с поверхностью и гидрографической сетью территории, вся эта система грунтовых и связанных с ними «межпластовых» вод зон глубинной закарстованности может рассматриваться как зона интенсивного водообмена. Как было сказано выше, мощность этой зоны от участка к участку изменяется весьма сильно, в связи с чем конфигурация её нижней границы является достаточно сложной.

В условиях складчатой области в пределах верхней гидродинамической зоны формируется практически весь (вероятно 90 % и более) современный водообмен (питание, движение и разгрузка подземных вод) в тесной взаимосвязи с гидрографической сетью и климатическими условиями территории.

 

Ниже границы верхней зоны собственно «водоносными» являются, по-видимому, только относительно проницаемые зоны тектонических нарушений и связанные с ними локальные зоны глубинной закарстованности. Современное питание подземных вод этой второй зоны так или иначе связано с затрудненной фильтрацией из верхней гидродинамической зоны. Движение подземных вод скорее всего связано со сложными условиями взаимодействия глубоких водоносных зон и имеет региональный характер: от центральных приподнятых участков складчатой области к её границам и прилегающим артезианским бассейнам, занимающим более низкое гипсометрическое положение. Таким образом, в этом случае мы имеем условия, характкрные для зоны относительно затрудненного водообмена.В пределах Урала сведения о распределении напоров подземных вод этой второй зоны и направлениях их движения практически отсутствуют.

По сведениям, полученным по другим складчатым областям (Кольская сверхглубокая) ниже глубин 4–5 км. горные породы даже в зонах тектонических нарушений характеризуются «сверхнизкой» проницаемостью (10^–5 – 10^–6 м/сут. Говорить о водообмене в этих условиях весьма трудно! Возможно какие то «формы» движения здесь и глубже могут быть связаны с тектоническими движениями, процессами метаморфизации горных пород и, возможно, взаимодействием с глубинными зонами разломов. Исходя из существующих представлений эта часть разреза может рассматриваться как зона весьма +затрудненного водообмена.

В «традиционной» региональной гидрогеологии Уральская складчатая область обычно рассматривается как региональная область питания подземных вод прилегающих артезианских бассейнов: Прикаспийского, Волго-Камского, Печорского и Западно-Сибирского. Вопрос этот является весьма спорным и неоднозначным.

Как было сказано выше, основной объем подземных вод (подземного стока) формируется в пределах верхней зоны интенсивного водообмена, тесно связанной с гидрографической сетью территории. Результаты расчетов водного баланса основных дрен Урала (рр. Печора, Вишера, Чусовая, Урал, Сев. Сосьва, Исеть, Тобол и др.) свидетельствуют о том, что в связи с интенсивной разгрузкой подземных вод на границе собственно складчатого Урала и прилегающих гидрогеологических районов (арт. бассейнов) водный баланс этих крупных водосборов в пределах складчатой области является практически «замкнутым» и величины «глубокого подземного стока» в прилегающие структуры находятся в пределах точности оценки.

Это, в частности, подтверждается и изменением минерализации и химического состава подземных вод. Так в водоносных комплексах, залегающих в Западно-Уральской зоне складчатости в верхней гидродинамической зоне с пресными подземными водами (D, С. Р₁), уже на расстоянии 10–15 км от границы собственно Урала с погружением их на глубины порядка 1000 м и более распространены Cl–Na рассолы с минерализацией до 100–150 г/л и более.

Несколько другие условия характерны для восточного склона Урала (граница с Западно-Сибирским бассейном). Здесь на участках погружения интенсивно закарстованных и трещиноватых палеозойских пород (особенно закарстованных) под мезо-кайнозойские породы бассейна в отдельных бассейнах (рр. Сев. Сосьва, Теча и др) вводно-балансовые оценки дают значительные величины глубокого стока, формирующего «внешнее» питание водоносных комплексов бассейна.

Вероятно, это в определённой мере связано с тем, что палеозойские породы, в отличие от западного склона Урала, погружаются здесь с меньшими углами падения и сохраняют в связи с этим на определенном расстоянии от границы собственно Урала относительно повышенную проницаемость

 

Гидрогеохимическая зональность. Наличие мощной зоны интенсивного влдообмена определяет широкое развитие в пределах скл. области верхней зоны относительно мало минерализованных подземных вод. Изменения минерализации и состава подз. вод связаны здесь с рельефом, широтной географической зональностью, и в определенной мере с составом водовмещающих пород и техногенным влиянием.

В пределах высоких хребтов и возвышенностей (местный водообмен с короткими путями фильтрации) распространены преимущественно ультрапресные воды с минерализацией 0,02–0,1 г/л. НСО₃–Са (Мg). В межгорных понижениях и на участках с равнинным рельефом минерализация изменяется от 0,1–0,5 г/л (Сев. и Ср. Урал) до 0,5–1,0 г/л (Южн. Урал) и до 5,0–20 г/л и более (Cl–Na) на участках континентального засоления грунтовых вод (Южн. Урал). На участках распространения сульфидного оруднения могут быть распространены SО₄–Са воды отн. повышенной минерализации. На месторождениях сульфидных руд в связи с интенсивным окислением сульфидов при снижении уровня гр. вод возможно формирование SО₄–Са вод с минер. до 2–3 /г.л и более с рН до 2–5 и менее. В ядрах ограниченных синклинальных структур с наличием гипсоносных пород минерализация подземных вод может достигать 10 г/л и более, состав п. в. Cl,SO₄–Na,Ca.

Вертикальная гидрогеохимическая зональность в пределах складчатого Урала практически не изучена. На участках с глубоким (до 800–1000 м.) залеганием карбонатных интенсивно закарстованных пород (Сев. Урал) пратически до этих глубин распространены НСО₃–Са воды с минер. до 1,0 г/л. В то же время на участках синклинальных структур с ярусным залеганием горных пород разного состава и проницаемости на этих глубинах могут быть распространены подз. воды значително более высокой минерализации. Так в пределах Западно-Уральской зоны складчатости (Кизеловское буроугольное месторождение) в угленосных породах на глубине 800 м вскрыты слабые рассолы Cl–Na состава с минерализацией 88,6 г/л.

По аналогии с другими складчатыми областями можно предполагать, что на глубинах 1500–2000 м во всех случаях будут распространены воды относительно повышенной минерализации, а на глубинах порядка 5000 м и более–хлоридные рассолы с минерализацией в ряде случаев до 300 г/л и более.

 

Месторождения подземных вод промышлнного типа в пределах складчатого Урала связаны главным образом с участками (структурами) распространения карбонатных карстующихся пород, локальными зонами тектонических нарушений и контактов (трещинно-жильные воды), и в определенных условиях (наличие интенсивно трещиноватых горных пород) с грунтово-трещинными водами зоны экзогенной трещиноватости.

В карбонатных породах в зависимости от условий их залегания (речные долины, водоразделы), размеров массивов карбонатных пород и порядка реки (значение расхода в разные периоды водности) выделяется несколько типов месторождений с существенно различными величинами запасов. Наибольшей производительностью характеризуются месторождения подземных вод придолинного типа, связанные с крупными массивами карбонатных пород и относительно крупными поверхностными водотоками (Южн. Урал). Эксплуатационные запасы месторождений этого типа могут достигать величин порядка 100 тыс. м³/сут, производительность отдельных водозаборных скважин достигает 20–25 м³/сут и более. Вероятно, такие же условия характерны и для З-У зоны складчатости, но здесь отсутствует опыт разведки крупных месторождений п. в. В зависимости от условий формирования минерализация подземных вод изменяется в пределах от 0,5 до 0,9 г/л.

По результатам оценок до 90% расхода водозаборов этого типа формируется за счет сокращения речного стока. Однако эта величина не характеризует собственно привлекаемые (из рек) ресурсы, поскольку значительная часть сокращения речного стока связана с инверсией естественной разгрузки п. в. (т. е. с естественными ресурсами).

В пределах междуречных (водораздельных) пространств где формирование трещинно-карстовых вод связано с процессами инфильтрационного питания и взаимодействием с малыми поверхностными водотоками (водоемами) их эксплуатационные запасы обычно не превышают 10–30 тыс. м³/сут. при производительности водозаборных скважин в пределах 5,0–60 л/с и более.

Месторождения трещинно-жильных подземных вод связаны с зонами тектонических нарушений и контактов пород разного состава (интрузивные, вулканогенно-осадочные, метаморфические и др). Как правило интенсивность обводненности таких зон резко меняется в различные периоды года (с максимальными величинами в периоды интенсивного атмосферного питания) и устойчивые расходы водозаборных скважин характерны только для условий, когда водоносные зоны связаны с поверхностными водотоками (водоемами).

Запасы месторождений этого типа в расчете на периоды максимальной водности изменяются от 2,0–5,0 до 40 тыс. м³/сут и более, производительность водозаборных скважин от 2–3 л/с до 50 л/с и более в зонах интенсивного тектонического дробления водовмещающих пород.

Формирование месторождений подземных вод промышленного типа в пределах верхней зоны экзогенной трещиноватости (трещинно-грунтовые воды) связано, главным образом с горными породами и условиями, в которых возможно формирование относительно мощной и интенсивно трещиноватой верхней зоны (туфопесчаники, амфиболиты, граниты, габбро-диориты и др.) Как правило, мощность верхней трещиноватой зоны достигает здесь 50–60 м. и более в зонах контактов и мелких тектонических нарушений. Питание грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и за счет взаимодействия с малыми водотоками, водоемами и болотными массивами. Эксплуатационные запасы подземных вод месторождений этого типа изменяются от 2–3 тыс. м³/сут. до 10 тыс. м³/сут и более при наличии многочисленных мелких тектонических нарушений и контактов и при формировании эксплуатационного водоотбора частично за счет привлечения воды поверхностных водотоков и водоемов. Производительность водозаборных скважин по тем же причинам изменяется от 2–5 л/с до 30 л/с и более при понижениях на 10–15 м.

 

Уральская складчатая область в значительной мере является регионом, в котором в России разрабатывалось Учение о гидрогеологии месторождений полезных ископаемых. Это связано с одной стороны с наличием здесь многочисленных месторождений полезных ископаемых разного типа, многие из которых разрабатываются в течение достаточно долгого периода, а с другой– с тем, что большинство типов месторождений полезных ископаемых Урала имеют достаточно сложные гидрогеологические условия.

Рассмотрение гидрогеологии месторождений полезных ископаемых не входит в задачу данного курса. Только некоторые примеры, которые позволяют лучше понять гидрогеологию Урала.

Месторождения полезных ископаемых в терригенных, метаморфических и вулканических породах Урала в целом характеризуются относительно слабой обводненностью. Увеличение водопритоков в горные выработки с их углублением происходят главным образом до глубин порядка 100 м., а потом остаются практически постоянными или даже уменьшаются. Величина водопритоков, как правило, не превышает значений 50–100 м³/час. Только в особых случаях, когда на месторождении существует мощная зона тектонического нарушения с интенсивной трещинной проницаемостью, гидравлически связанная с поверхностными водами, при понижении уровня поземных вод при эксплуатации месторождения ниже уреза реки величины суммарного водопритока в горные выработки могут достигать 800–1000 м³/час.

Наиболее сложными гидрогеологическими условиями характеризуются месторождения полезных ископаемых, связанные с карбонатными закарстованными породами (бакситы, золото).

Характерным примером является Северо-Уральский бакситовый бассейн (СУБР). Месторождения бассейна (три) приурочены к девонским преимущественно карбонатным отложениям северной части Тагильского мегасинклинория. Терригенные породы (глинистые сланцы, песчаники, конгломераты) имеют подчиненное значение. Бассейн характеризуется резко выраженным блоковым строением в связи с наличием многочисленных тектонических нарушений меридионального и широтного простирания. Надрудный среднедевонский интенсивно закарстованный карбонатный комплекс мощностью до 1000 м., с которым связано основное обводнение горных выработок, содержит несколько водоносных горизонтов, на отдельных участках разобщенных терригенными слоями, но в целом имеющих общий режим и общую поверхность подземных вод. Интенсивно закарстованная зона карбонатных пород имеет мощность 400–500, в отдельных случаях до 1000 м. Формирование трещинно-карстовых вод происходит за счет инфильтрации а.о. и за счет поглощения поверхностных вод многочисленных водотоков. В условиях понижения уровня п. в. при эксплуатации месторождения второй источник питания является основным.

Систематический шахтный водоотлив на месторождении был начат в мае 1941г. с расходом 88 м³/час, но через 5 месяцев увеличился до 530 м³/час. В конце прошлого века (1968 г.) среднегодовой суммарный водоотлив из шахт и дренажных узлов составлял 9255 м³/час при понижении уровня на 150–200м. Под влиянием шахтного водоотлива на месторождении происходит интенсивный вынос минерального вещества, достигающий 7000–8000 м³/год. (техногенная закарстованность). В связи с этим периодически происходили прорывы воды в горные выработки с расходами до 1000–4000 м³/час и соответственными подъемами уровня максимально до 55 м. Преобладающий хим. состав п. в. НСО³–Са (Мg) с минер. до 0,45 г/л.

Кизиловский угольный бассейн.(Западно–Уральская зона складчатости). Особенности гидрогеологии Кизил. бассейна определяются наличием над угленосной частью разреза двух карбонатных толщ горных пород верхней (С₂m–Р₁а) и нижней (С₁v–С₂h) разделенных терригенными отложениями московского яруса (С₂m). Обе эти толщи характеризуются интенсивной закарстованностью, хоторая в долинах крупных рек распространяется до глубин 500–600 м.,а по отдельным зонам интенсивного тектонического дробления горных пород до 1000–1100 м.

Основные водопритоки в горные выработки бассейна формируются за счет трещинно–карстовых вод надугольных карбонатных толщ. Водопритоки из самих угленосных пород обычно не превышают 100 м³/час (обычно меньше). Интересным является факт, что по данным о снижении уровней в скважинах основные водопритоки формируются из «нижней» (C₁v–C₂h) карбонатной толщи при снижении уровней подземных вод до 150–200 м. и более, то время как в «верхней» (С₂m–Р₁а) сохраняется практически естественное положение уровня подземных вод. Интенсивные притоки из верхней толщи фиксируются только на участках, где в результате горных работ происходят обрушения кровли с нарушением сплошности водоупорных пород московского яруса. (отсюда интересные выводы об условиях водообмена в верхней и нижней карбонатных толщах).

Водопритоки в горные выработки, дренирующие трещинно-карстовые воды, достигают 500–800 и в отдельных случаях до 1000 м³/час.

В естественных условия воды угленосных отложений пресные (до 0,5 г/л), состав преимущественно НСО₃–Са (Mg). В условиях эксплуатации в связи с окислением сульфидов минерализация увеличивается до 2,5–3,0 г/л при SО₄–Са составе, с рН<4. В то же время одной из шахт на глубине около 800 м были вскрыты подземные воды Cl–Na состава с минерализацией 88 г/л., что косвенно свидетельствует о том, что в пределах бассейна на глубинах порядка 1000 м и более должны быть распространены Cl–Na рассолы.

В основном воды месторождений полезных ископаемых Урала характеризуются невысокой (до 0,5–0,8 г/л) минерализацией и НСО₃–Са реже НСО₃(SO₄) Ca(Na) составом. Наиболее сложным химическим составом характеризуются воды медноколчеданнх месторождений. При менирализации в ряде случаев до 30 и более г/л они имеют преимущественно SO₄–Ca(Na) состав c содержанием меди до 650 мг/л, железа до 400 мг/л, цинка –65, свободной серной кислоты до 650 мг/л.