Гравитационное выщелачивание

ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

Павлов

Россия, Санкт-Петербург

Апрель, 2014

Геостатическое давление (geostatic pressure) - давление, оказываемое на пласт весом

вышележащей толщи горных пород,

величина которого зависит от толщины

и плотности пород (, В. А.... )

Под действием геостати­ческого давления происходит вынос солей из глинистых пород при их дегидратации. Эта своеобразная форма перехода растворимых компонентов из породы в воду получила название гравитационного выщелачивания [Котова, Павлов, 1968]. Работами [1959, 1960], [1959] и других было установлено, что при отжатии поровых вод из образцов глинистых пород минерализация отдельных порций воды, получен­ных при различных нагрузках, неодинакова. Более минерализо­ванными всегда являются первые порции, отжимаемые при меньших нагрузках, а менее минерализованными — последние, отжимаемые при больших нагрузках.

Установление этой закономерности оказало существенное влияние на развитие представлений о формировании химического состава подземных вод и, в частности, вод зоны катагенеза, а также на вопрос о вертикальной гидрохимической зональности [Гуревич, Зайцев, Толстихин, 1958]. Формирование химического состава под­земных вод тесно связано с процессом литификации осадков, изменя­ющихся от ила до горной породы. При этом происходит непре­рывное отжимание воды — вначале свободной, а затем связанной. Такая миграция обусловливает тесную генетическую связь гравита­ционных пластовых вод с водами водоупоров [Карцев, Вагин, 1966].

С позиций закономерности изменения минерализации поровых вод при отжиме можно полагать, что наряду с прямой вертикальной гидрохимической зональностью водоносных горизонтов должна су­ществовать обратная ей вертикальная гидрохимическая зональность водоупоров. Можно привести ряд примеров, показывающих такую зональность в (табл.1,2).

Из приведенных данных видно, что с глубиной минерализация поровых вод глинистых пород закономерно уменьшается. * Это уменьшение носит прерывистый характер, что, по-видимому, связано с чередованием в разрезе водоносных и водоупорных горизонтов, а также неоднородностью литологического состава самих водоупоров. Такой же прерывистостью отличается и соответствующая вертикаль­ная гидрохимическая зональность пластовых вод.

___________

*В данном случае интерес представляют не абсолютные значения минера­лизации поровых вод, а характер её изменения с глубиной. Поэтому наряду с данными по поровым водам можно использовать результаты водных вытяжек

Таблица 1

Примеры вертикальной гидрохимической зональности водоупоров по результатам изучения поровых вод в глинах

К сожалению, в настоящее время встречаются лишь единичные работы по изучению поровых вод на непрерывных и достаточно боль­ших разрезах. Поэтому нельзя привести значительного количества примеров, указывающих на вертикальную гидрохимическую зональ­ность водоупоров. Но даже имеющийся материал позволяет говорить о существовании двух типов вертикальной гидрохимической зональ­ности: 1) для пластовых вод, 2) для водоупоров.

В последние годы закономерность изменения минерализации поровых вод в процессе отжима стала изучаться с количественной стороны. В 1965 г. была проведена серия опытов с искусственно приготовленными образцами глин [Котова, 1965]. Исходя из заранее выбранной начальной влажности и минерализации, готовились пасты, из которых затем отжимался поровый раствор. Нагрузки прикладывались ступенями. Первая ступень 0,5, последняя — 3000 кГ/см2. Определялась минерализация отдельных порций отжа­той воды,

Таблица 2. Примеры вертикальной гидрохимической зональности водоупоров по результатам водных вытяжек из образцов керна. Северо-Западное Предкавказье.

Определялась минерализация отдельных порций отжатой воды, а затем рассчитывался общий солевой баланс. В качестве примера приводятся 2 эксперимента (табл.3).

Таблица 3.

Основные результаты экспериментальных работ по отжиму поровых вод

Данные табл. 3 позволяют рассмотреть зависимость изменения общего количества солей в поровых водах от приложенной нагрузки. Эти изменениярационально проанализировать в относительных величинах – в процентах от исходных минерализации и количества солей (табл.4, рис.1).

При увеличении нагрузки общее количество солей в глинах интенсивно и закономерно уменьшается. Это уменьшение можно рас­сматривать как особый вид выноса солей, который назван гравитацион­ным. Гравитационный вынос солей имеет свои особенности, связан­ные с дегидратацией глин. Отжимающаяся по мере уплотнения вода выносит растворенные соли.

Связь гравитационного выноса солей с процессом дегидратации показана на рис. 2 и выражается прямой линией

(1)

где С — количество оставшихся солей, % от исходного; W — остав­шаяся влажность, % от начальной.

Таблица 4

Вынос солей из глин при экспериментальном отжиме поровых вод в

(в % от исходного)

Рис. 1. Кривая выноса солей

по двум экспериментам. Рис. 2. Связь гравитационного выноса

солей с процессом дегидратации.

1,2 — первый и второй эксперименты.

Важным обстоятельством здесь, по-видимому, является общность описанной закономерности для глинистых пород с разной минера­лизацией поровых вод.

Полученные на рис.1 кривые, по существу, позволяют описать общий теоретический вид второго типа вертикальной гидрохимиче­ской зональности, в основе которой лежит процесс гравитационного выноса солей водоупорных горизонтов.

Идея гравитационного выноса солей из глинистых водоупоров под действием геостатических и тектонических нагрузок хорошо согласуется с представлениями о динамике подземных вод артезианских бассейнов [Зайцев, 1967; Карцев, Вагин, 1966, Колодий, 1966; Мухин, 1965]. По этим представлениям при смене тектонических циклов гидрогеологическая роль водоупоров инвер­сионно меняется: то они отдают воду, то поглощают, затем вновь отдают и вновь поглощают. При этом каждый раз, исходя из кри­вых выноса солей (рис. 1) и зависимости (1), они отдают воду более минерализованную, чем получают. Следовательно, можно говорить о постоянном в масштабах геологического времени выносе солей из водоупоров. Этот вынос имеет характер прерывистых циклов: за каждым периодом выноса следует относительное засоле­ние, которое сменяется новым выносом. Возможно, что эти гидро­химические циклы совпадают во времени с палеогидрогеологиче-скимй циклами [Карцев, Вагин, 1962].

Гравитационный вынос солей является, по-видимому, одним из главных процессов, принимающих участие в формировании химиче­ского состава подземных вод зоны катагенеза, но далеко не един­ственным. Здесь можно говорить о целом ряде осложняющих факто­ров и явлений: неоднократности литологического состава слагающих водоупоры пород, различной палеогидрогеологической истории раз­вития отдельных комплексов пород, отличиях в физико-химических и температурных условиях, различных интенсивности и характере тектонических нагрузок на отдельных эта­пах геологической истории региона и т. д. Поэтому реальные кривые, описывающие процесс гравитационного выноса солей, по своему виду могут заметно отли­чаться от кривых на рис.1.

Отклонение реального выноса солей из водоупоров от идеального процесса создает большие затруднения в корректном прак­тическом использовании найденной зако­номерности. Эти затруднения еще больше увеличиваются из-за того, что теоретиче­ские кривые выноса солей по соображениям большей наглядности построены в относи­тельных величинах изменения валового запаса солей в горной породе, а фактиче­ский материал, получаемый по керну скважин, выражается в величинах концентраций (мг-экв/л, г/л, г/кг и т. д.) веществ, растворенных в поровой воде.

С целью более удобного использования закономерностей грави­тационного выноса солей при решении некоторых практических задач по данным табл. 3 построены кривые изменения минерализации норовых вод, оставшихся в породе после приложения данной ступени нагрузки (рис. 3).

Рис. 3. Изменение мине­рализации норовых вод, оставшихся в породе после приложенной нагрузки.

1 — теоретическая кривая; 2 —фактические данные.

Полученные кривые имеют вид

(2)

где С — минерализация'поровых вод (мг-экв/л, г/л и т. д.), остав­шихся в породе при нагрузке р ≠ 0; С0 — начальная минерализа­ция поровых вод (мг-экв/л, г/л и т. д.) при отсутствии отжимающей нагрузки, р = 0; λ, п — постоянные, учитывающие физико-хими­ческие, геологические, структурные и другие условия приложения нагрузок (по экспериментальным данным для нашего случая полу­чены следующие значения постоянных: λ = 4,45-4,0; п = 0,116-0,087; табл. 4).

Для каждых конкретных геологических и гидрогеологических условий существует своя кривая изменения минерализации оставшейся поровой воды, отражающая процесс гравитационного выноса солей. Многообразие природных условий позволяет говорить о суще­ствовании целой серии кривых указанного вида.

Если принять, что реальные условия гравитационного выноса солей из горных пород, слагающих водоупорные горизонты, отли­чаются от экспериментальных настолько, что ошибка, возникающая при замене первых вторыми, является допустимой, то с помощью уравнения (2) в принципе можно решать задачу по оценке минера­лизации вод бассейна седиментации. Для этого достаточно знать минерализацию поровых вод в трёх сравнительно удаленных друг от друга точках разреза, характеризующих один и тот же стратигра­фический комплекс пород, т. е. знать величины С1, С2, С3 и соответ­ствующие им p1,р2,рз. Найденная величина С0 с принятой точностью будет отражать минерализацию вод в бассейне седиментации.

С помощью величины С0 и по известным значениям величин С1, С2, С3, ..., Сп можно вычислить всю кривую гравитационного выще­лачивания (в относительных величинах) для наблюдаемых условий. На основании этой конкретной кривой и уравнения (2) представ­ляется возможным рассчитать общий вынос воды и солей с 1 км2 данной водоупорной толщи.

Решение системы из трех уравнений вида (2) относительно величины С0 сводится к графическому решению равенства

где

Очевидно, даже приближенное решение указанной задачи откры­вает широкие перспективы в методике палеогидрогеологических исследований.

Изложенные идеи возникли на небольшом фактическом мате­риале, но они хорошо увязываются с данными экспериментальных исследований и существующими взглядами на динамику подземных вод артезианских бассейнов. Всякий новый материал по изучению поровых вод, бесспорно, позволит уточнить и развить высказанные представления о роли водоупоров в формировании химического состава подземных вод и подойти к вопросу о граничных условиях, в которых процесс гравитационного выноса солей является определяющим.

Литература

1.  О роли поровых растворов в формировании подземных вод. В сб. Проблемы гидрогеологии. М., Госгеолтехиздат. 1960.

2.  , , Толстихин гидрохимические закономерности артезианских бассейнов СССР. Тр. Лабор. гидрогеол. проблем АН СССР, т. ХVI, 1958.

3.  К вопросу о гидродинамике артезианских бассейнов. Докл. отд. и комис. Геогр. о-ва СССР, вып.2, гидрогеол. и инж. геол. Л., Изд. ГО СССР, 1967.

4.  , Вагин исследования при изучении формирования и разрушения нефтегазовых скоплений. Сов. геол. №8, 1962.

5.  , Вагин седиментационных вод в формировании пластовых вод крупных артезианских бассейнов. Изв. вузов, геол. и разведка, №8, 1966.

6.  Колодий Гидродинамические и палеогидродинамические условия плиоценовых отложений Западно-Туркменской впадины. Сов. геол., №2, 1966.

7.  Об изменении состава и минерализации поровых вод при выжимании их из глин. Зап. ЛГИ, т. XLVIII, вып. 2, 1965.

8.  , О выщелачивании водоупоров при увеличении геостатического давления. Сб. Поровые растворы и методы их изучения. Минск. Изд-во «Наука и техника», 1968

9.  Об исследовании растворов, пропитывающих осадочные горные породы. Сб. Проблемы гидрогеол. Госгеолтехиздат, 1960

10.  , Цыба состава горных растворов и вод из скважин района строительства Сталинградсвкой ГЭС. В сб. Гидрохим. мат-лы, XXVIII. Изд-во АН СССР, 1959.

11.  Ломтадзе исследований воды, отжатой из глинистых отложений различной степени литификации. Изв. вузов, геол. и разведка, №9, 1959.

12.  Мухин уплотнения глинистых осадков. Недра, 1965.

13.  Пушкина воды современных четвертичных и плиоценовых глинистых отложений в разрезе СКВ. 8б, 8а, 4 (Южный Каспий). Автореф. дисс. М., 1964.