Палеогидрогеология – это раздел гидрогеологии, задачей которого является восстановление гидрогеологической истории региона, бассейна или водоносного комплекса. Другими словами это реконструкция гидрогеологических условий древних эпох.
Сущность палеогидрогеологических исследований заключается в изучении процессов образования, миграции и метаморфизации инфильтрационных, седиментационных и эндогенных подземных вод.
Значение палеогидрогеологического анализа таково, что во многих случаях без него невозможно правильно объяснить современные гидрогеологические условия, особенности существующей геогидродинамической, гидрогеохимической и гидрогеотермической зональности.
Особенно важное значение имеют эти исследования для выяснения условий образования, миграции, сохранения и разрушения месторождений полезных ископаемых, их поисков, и, прежде всего, месторождений нефти и газа. При оценке перспектив нефтегазоносности региона палеогидрогеологические исследования помогают объяснить гидрогеологические условия формирования, сохранения и разрушения залежей нефти и газа в геологическом прошлом.
В разработке принципов и методики палеогидрогеологических исследований важную роль сыграли работы П.Н.Чирвинского, К.И.Макова, А.Н.Семихатова, А.М.Овчинникова, А.А.Карцева, Е.А.Барс и других исследователей.
Методологической основой палеогидрогеологии служит воссоздание гидрогеологической истории региона (бассейна) с выделением гидрогеологических циклов и этапов (по А.Н.Семихатову), а основной характеристикой является водообмен (коэффициент водообмена), т.е. нужно знать, прежде всего, историю гидрогеологического развития. Для этих целей существую методики «разуплотнения» на основе анализа компрессионных кривых гидрогеологического разреза (примеры кривые Н.Б.Вассоевича для Европейской части России, И.И.Нестерова для Западной Сибири и др.).
Большое значение в палеогидрогеологии имеют методы определения абсолютного возраста горных пород с использованием, так называемого метода, предложенного В.П.Савченко. Сущность метода связана с постоянной скоростью генерации гелия (эндогенный агент) при радиоактивном распаде, и с допущением постоянства содержания аргона (атмогенный агент).
Формула В.П.Савченко: τ = *77,
где τ – абсолютный возраст, млн. лет.
Здесь в числовом коэффициенте (77) учтены средние величины радиоактивности, пористости и удельного веса осадочных пород. Однако эта формула не учитывает потери не диффузионным путем.
Предполагаемые средние потери не были учтены А.Л.Козловым, который предложил формулу определения абсолютного возраста горных пород:
τ = *115 (млн. лет).
И все-таки обе эти формулы недостаточно точны и пригодны лишь для ориентировочных (грубых) расчетов, т.к. они не учитывают всей сложности взаимодействия в подсистеме вода – порода и в частности при смешении инфильтрационных и седиментационных (в том числе литогенных) вод.
Во второй половине 20 века в гидрогеологии к определению абсолютного возраста пород и вод стали активно привлекаться данные изотопного состава: это – дейтерий (Н2) и тритий (Н3), а также тяжелого изотопа кислорода (О18). Что касается дейтерия, который изучался нами, то нельзя сказать о его высокой эффективности – не выше чем дифференциация по разрезу компонентов ионно-солевого состава. Данные по тритию получены в США после взрыва килотонного ядерного устройства (т.н. «бомба Кастл») в штате Невада в 1954 г. К этим исследованиям были активно привлечены студенчество и школьники старших классов, которые «промониторили» значительную площадь с использованием походных радиометров и удалось наметить пути миграции подземных (грунтовых) вод по повышенным концентрациям трития. По кислороду О18 пока имеются только самые общие данные о его распределении в гидросферах – закономерное увеличение от наземной (О16) к подземной (О17) и далее – в Мировом океане и в эндогенных водах (О18). Эти данные были обобщены А.С.Уклонским и др.
Для оценки генезиса и истории подземных вод широко используются некоторые «генетические» коэффициенты (по А.П.Виноградову), представляющие собой количественные соотношения между различными макро- и микрокомпонентами: , , и др.
- постоянное содержание в океанической воде, равное 0,87. Если он больше 0,87, то это либо малометаморфизированные инфильтрационные или седиментационные воды опресненных внутренних лагун (типа Каспия), а если есть уверенность в нормальной морской палеосолености (что устанавливается по палеонтологическим остаткам флоры и фауны), то вердикт будет в пользу инфильтрационного происхождения. Для палеозойско-мезозойских отложений ›0,87 может свидетельствовать еще и о сравнительно молодом (Кайнозойском!) времени их инфильтрации, иначе процессы метаморфизации повысили бы хлоридность пластовых вод выше океанической. Таким образом, для уверенного использования коэффициента необходимо точно знать палеосоленость вод бассейна седиментации.
Коэффициент в океанической воде равен 300. Но здесь возможное поступление «биогенного» брома из органического вещества или нефтей может сильно исказить (понизить) величину коэффициента.
Обычно эти коэффициенты используются в комплексе с оценкой общей гидрогеохимической зональности. Если по мере погружения отложений происходит увеличение общей минерализации, иона хлора и уменьшение сульфатов , то значит это инфильтрационные воды, которые постепенно метаморфизируются по мере движения вглубь бассейна. Седиментационные воды характеризуются максимальными показателями метаморфизма.При этом необходимо учитывать возможность инфильтрации подземных вод через гидрогеологические (литологической или тектонической природы) окна, как внутри бассейна (межгоризонтные перетоки), так и межбассейновые перетоки.
При палеогидрогеологических исследованиях исключительно ценную информацию дает лабораторное опрессовывание подземных поровых растворов и их анализ. По существу, это – моделирование природных процессов элизионного водообмена. Такие работы проводились В.А.Красинцевой, Г.М.Сухаревым, А.А.Карцевым. По данным А.А.Карцева по мере увеличения нагрузки происходит увеличение органического углерода (Сорг.) в отжимаемых растворах и снижение их общей минерализации. Подобные данные были получены по Западной Сибири Л.Н.Флеровой и по Тимано-Печерскому бассейну В.М.Матусевичем и В.Н.Поповым (глины кыновского яруса).
При анализе инфильтрационных этапов бассейнов широко применяется «принцип актуализма», т.е. перенесение современных гидрогеодинамических условий на более древние. Здесь по данным о скоростях подземных потоков можно определять время продвижения подземны вод от областей питания до данной точки и установить таким образом длительность инфильтрационного этапа для данной толщи и вычислить коэффициент водообмена.
Здесь определяется ЧЦИВ (по А.А.Карцеву) – число циклов инфильтрационного водообмена (кратность смены подземных вод в водоносном горизонте или комплексе). Значения ЧЦИВ могут варьировать в значительных пределах. Например, Б.И.Куделин для сеноманских отложений Днепрово-Донецкого бассейна насчитал от 420-630 ЧЦИВ со времени миоценовой эпохи, когда началась современная инфильтрация. Напротив, в Западной Сибири, где гидрогеологические циклы характеризовались подавляющим преобладанием по времени и масштабам элизионного водообмена, инфильтрационные этапы в юрско-меловых отложениях составляют менее одного ЧЦИВ. Это означает, что длительность цикла в данном случае во много раз больше современного этапа инфильтрации. Аналогично ЧЦИВ рассчитываются значения ЧЦСВ (число циклов седиментационного водообмена).Как показали наши исследования, кратность кратность смены седиментационных вод в породах-коллекторах при элизионном водообмене в юрско-меловых отложениях Западной Сибири всегда превышает единицу и может достигать несколько десятков и даже первые сотни.
Для изучения гидрогеологии древних этапов развития региона необходимо использование большого комплекса геологических материалов; палеогеографических, палеогеологических, палеотектонических карт, схем, профилей, разрезов и др.
Палеогеографические карты можно считать исходными источниками при палеогидрогеологическом анализе. Они показывают распределение моря и суши, т.е. дают первую возможность наметить положение древних бассейнов с инфильтрационным водообменном (в пределах суши) и седиментационным (в пределах морского бассейна).
Как показала практика палеогидрогеологические исследований, эти карты целесообразно сочетать с фациальным, т.е. наносить на них литологические данные на определенную эпоху и характер окислительно-восстановительных обстановок. Последние диагностируются по соотношению аутигенно-минералогических форм железа и серы. Г.И.Теодоровичем выделены соответствующие фации: пиритовая, глауконитовая, сидеритовая и др., рассмотренных Вами в курсе литологии. Соленость бассейна осадконакопления устанавливается по палеонтологическим данным (стенагалинные и др. типы фауны) и по характеру поглощенного комплекса пород.
Палеотектонические карты – типа изопахических схем (линии равных накопленных толщин осадков и пород). Они показывают распределение того или иного комплекса пород, дают представление о динамике роста тектонических структур, о характере эпейрогенических движений и др.
Палеогеологические и палеотектонические профильные разрезы позволяют судить о региональных наклонах и пространственных взаимоотношениях отдельных водоносных комплексах, намечать вероятные направления подземного стока, возможные очаги разгрузки, что весьма важно при анализе палеогидрогеологической истории на инфильтрационных этапах гидрогеологических циклов.
Заключительной частью палеогидрогеологических исследований является периодизация гидрогеологической истории региона (бассейна), т.е. восстановление общего хода его гидрогеологической истории возможна с помощью различных историко-геологических и геотектонических графиков, графиков колебательных движений (эпейрогенез, орогенез) и др. с предварительным выделением на разрезе гидрогеологических циклов и разбиением их на седиментационные и инфильтрационные этапы.
В результате палеогидрогеологического анализа строятся палеогидрогеологические карты на различные этапы развития гидрогеологических циклов. При этом целесообразно строить их раздельно для седиментационных и инфильтрационных этапов. На этих картах показывают предполагаемые древние области питания, зоны разгрузки и предполагаемые направления движения подземных вод, области пьезомаксимумов и пьезоминимумов (для седиментационных этапов), число циклов (кратность смены) седиментационного (элизионного) и инфильтрационного водообмена. Макеты палеогидрогеологических карт приводятся в учебнике А.А.Карцева, С.Б.Вагина, В.М.Матусевича, в книге М.С.Бурштара и И.В.Машкова. Масштабы седиментационного водообмена и направление потока отжимаемых вод в регионанальном плане можно оценить с помощью палеогидродинамических схем (сочетание изопахит глинистых толщ с изолиниями кратностей смены седиментационных вод).