К вопросам гидрогеологии Саратовского и Сталинградского Поволжья
(В порядке обсуждения.)
И.К. ЗЕРЧАНИНОВ
В отличие от центральных и восточных районов Русской платформы в Саратовском и Сталинградском Поволжье гидрогеология палеозойских отложений до последнего времени была менее изучена.
Проведенные гидрогеологические исследования группой ВНИИ в 1954- 1957 гг. в значительной мере этот пробел восполнили. Результаты этих исследований положены в основу настоящей статьи.
О химизме пластовых вод, насыщающих породы палеозойского возраста
Средний карбон (верхнебашкирский + верейский горизонты)
Наименее минерализованные воды, приуроченные к этим породам, Встречены на Тепловской площади, где концентрация солей не превышает 838 мг-экв/л (скв. 12-к, 14-к, 120-140 м). Южнее Тепловки, на Елшанке, в крелиусных скв. 3 (394-450 м) и скв. 7 (312- 467 м) получены воды с минерализацией соответственно 1812 и 1916 мг-экв/л. На Песковатке, самой южной площади Саратовского Поволжья, концентрация солёй достигает 3743 мг-экв/л (скв. 2, 841-865 м).
В северной части Сталинградского Поволжья, в Бахметьевке, сумма растворенных солей равна 3787 мг-экв/л (скв. 18, 691-695 м), южнее, в Коробках - 6202 мг-экв/л (скв. 4, 1295-1300 м). На Умете из верхнебашкирского горизонта получена вода с максимальной минерализацией вод терригенной пачки среднего карбона, достигающей 7708 мг-экв/л (скв. 4, 1997- 2002 м).
Таким образом, примерно в меридиональном направлении, с севера на юг, по мере погружения пород верейского и верхнебашкирского возраста от Тепловки к Умету минерализация вод увеличивается примерно в 9 раз (от 838 мг-экв/л до 7708 мг-экв/л). Аналогичная закономерность отмечается и в широтном направлении, если прослеживать характер изменения минерализации вод с запада на восток (Отмечаемые здесь и в дальнейшем границы с минимальной минерализацией иод на западе и на севере региона, так же как и с максимальной минерализацией на юге и востоке, фактически распространяются дальше в этих направлениях. Отсутствие данных не позволяет установить точной границы, например, перехода пресных вод в минерализованные на западе, но имеющиеся сведения вполне надежно определяют направления изменения состава вод.).
Известно, что в пределах Воронежского массива, в Воронежской и Тамбовской областях породы вплоть до девонского возраста насыщены пресными водами [1], постепенно переходящими в восточном направлении в минерализованные воды. Так, например, в районе Борисоглебска вскрыты пресные воды, в Баланде слабо минерализованные, а уже в Грузиновке (скв. 4, 5) из пород верхнебашкирского возраста (655; 810 м) получена вода, содержащая солей до 2525 мг-экв/л и восточнее, в Заволжье, на Генеральской площади в той же пачке пород минерализация воды достигает 3668 мг-экв/л (скв. 5, 861-882 м).
В Сталинградском Поволжье также отмечается увеличение минерализации пластовых вод с запада на восток, например от Коробков (6200 мг-экв/л) к Умету (7708 мг-экв/л).
С повышением минерализации увеличивается коэффициент метаморфизации пластовых вод, значение которого равно на Тепловской площади 2,04, на Песковатской -2,97, а на южных площадях Коробковской, Уметовской, Саушинской около 6.
Из солей в водах
преобладает хлористый натрий (71-72%). Хлориды щелочно-земельных металлов
составляют не более 29-32%, причем в Саратовском Поволжье хлористый кальций
превалирует над хлористым магнием примерно в 2 раза, а в Сталинградском
Поволжье отношение 
достигает
5 (Умет, Коробки и др.).
Сульфатный ион в
большинстве случаев отсутствует или измеряется десятыми долями мг-экв/л.
Исключением в Саратовском Поволжье являются Тепловская, Казанлинская и
Генеральская площади, на которых получены воды с содержанием
от 9 до 20 мг-экв/л, а в
Сталинградском Поволжье - Уметовская площадь, в водах которой концентрация
сульфатов равняется 4 мг-экв/л.
Гидрокарбонатный ион по региону распределяется более равномерно, причем минимальное содержание его отмечено в водах на Ириновской площади (0,9 мг-экв/л) и максимальное на Казанлинской (3,7 мг-экв/л).
Микрокомпоненты определялись не во всех пробах воды, поэтому какую- либо закономерность, если она имеется, в их распределении подметить пока трудно. По имеющимся данным содержание брома в пластовых водах среднего карбона равно: Тепловка - 72,7 мг/л, Грузиновка -199 мг/л, Песковатка - 300 мг/л, Генеральское - 313 мг/л, Абрамовка - 101 мг/л, Саушинская - 234 мг/л.
Иод в водах Саратовского Поволжья содержится в незначительных количествах, не превышающих 2 мг/л, и несколько больше в водах Сталинградского Поволжья - до 9,85 мг/л (Саушинская площадь).
Нижний карбон (яснополянский подъярус + турнейский ярус)
Отмеченные закономерности в изменении минерализации пластовых вод среднего карбона характерны и для вод нижнего карбона.
В водах нижнего карбона минерализация также увеличивается с севера- на юг от Тепловки (1642 мг-экв/л) до Умета (7924 мг-экв/л) и с запада на восток - в Саратовском Поволжье от Песчаного Умета (5630 мг-экв/л) до Генеральского (6132 мл-экв/л), в Сталинградском от Коробков (7055 мг-экв/л) к Умету (7924 мг-экв/л).
В этих же направлениях растет коэффициент метаморфизации вод, изменяясь от 3,1 (Тепловка) до 5,11 (Умет) и 5,66 (Арчеда) с севера на юг и от 2,99 (Песчаный Умет) до 3,3 (Генеральское), от 4,61 (Коробки) до 5,11 (Умет) с запада на восток.
Коэффициент
достигает максимального значения
в водах южных площадей (4,68-Арчеда, 4,17 - Умет). На остальных площадях
вскрыты воды, в которых хлоридов кальция содержится примерно в 2,4-3,2 раза
больше, чем хлоридов магния.
Содержание сульфатов
незначительно и даже были получены бессульфатные воды (Горючка, Арчеда).
Исключение составляют Тепловская, Уметовская и Коробковская площади, на которых
получены воды с содержанием от 7,53 до 29,1 мг-экв/л. Микрокомпоненты изучены
недостаточно. По имеющимся данным можно только отметить, что в водах нижнего
карбона брома содержится от 180 мг/л (Бахметьевка) до 724 мг/л (Горючка) и иода
от 6 мг/л (Грузиновка) до И мг/л (Ба- гаевка).
Средний девон (живетский ярус)
Породы живетского возраста в пределах Сталинградского Поволжья почти не изучены и не охарактеризованы гидрогеологически, в связи с чем ниже рассматриваются только районы Саратовского Поволжья.
Пластовые воды среднего девона являются типичными рассолами, т. е. они почти полностью насыщены растворенными солями. Естественно, что резкой изменчивости их состава не наблюдается, как это отмечалось для вышезалегающих вод карбона. Однако и эти воды несколько различны. Например, здесь также отмечается увеличение минерализации с севера на юг от Ириновки (6957 мг-экв/л) к Песчаному Умету (8014 мг-экв/л). В этом же направлении изменяется и коэффициент метаморфизации вод от 3,54 (Ириновка) до 4,45 (Песчаный Умет).
Описанные воды, насыщающие терригенные породы среднего и нижнего карбона и среднего девона, относятся к хлоркальциевому типу.
В промежуточных карбонатных толщах отобрано очень мало проб воды и этих данных недостаточно для детального рассмотрения всего разреза палеозоя в целом. Однако имеющиеся единичные данные по карбонатному верхнему девону и среднему карбону не противоречат общей закономерности изменения состава вод. Эта закономерность даже в кратком описании отчетливо вырисовывается, а именно: минерализация пластовых вод зависит от глубины залегания водовмещающих пород и не зависит от их возраста.
Эта закономерность наглядно выражена на прилагаемых гидрогеологических профилях (рис. 1, 2), на которых нанесены границы зон пластовых вод с примерно одинаковой минерализацией.
Профили ориентированы приблизительно в меридиональном (Казанла-Верховская) и в широтном (Балашов - Чапаевка) направлениях.
Рассмотрение этих профилей позволяет сделать некоторые выводы.
1. Границы зон различной минерализации пересекаются со стратиграфическими границами, что служит доказательством зависимости изменения минерализации пластовых вод от глубины их залегания.
2. В силу отмеченной выше закономерности на небольших площадях минерализация пластовых вод по мере роста глубин их залегания изменяется но прямолинейной зависимости.
3. В региональном плане простирания зон минерализации пластовых вод имеются отклонения от прямолинейного направления. Это объясняется следующими причинами:
а) на территории рассматриваемого региона в районах Тепловки, Жирного, Арчеды имеют место гидрогеологически раскрытые структуры, через которые проникают поверхностные воды на большие глубины, чем в закрытых структурах;
б) в восточных районах, наоборот, зональные границы подтягиваются вверх (см. рис. 2), что связано с местной разгрузкой пластовых вод, как, например, в районе Чапаевки. В этом и примыкающих к нему районах Заволжья общеизвестны выходы минеральных источников.
4. Более интенсивный рост минерализации пластовых вод с глубиной отмечается примерно до глубин 1000-1300 м, ниже которых наращивание минерализации замедляется.
Для выяснения условий формирования пластовых вод очень важно знать возраст этих вод. Для решения этого вопроса крайне важно изучать растворенные газы в пластовых водах. К сожалению, газы в настоящее время изучены совершенно недостаточно. По имеющимся данным пока можно высказать только такие соображения.
Поскольку жидкости в пластах, не говоря уже о газах, очень подвижны, то, по-видимому, в большинстве случаев воды, содержащиеся в породах, не являются сингенетичными с ними.
Произведенные расчеты возраста пластовых вод по растворенным в них газам показывают, что воды, заключенные в породах нижнего карбона, на площадях Жирное, Бахметьевка имеют нижнемеловой возраст (105,4*106-101*106 лет), на Песчаноуметской и Грузиновской - третичный (4-49*106 лет), на Коробковской - верхнемеловой (83*106 лет), на Горючкинской и Уметской - нижнекаменноугольный (296*106 лет).
Безусловно, полученные результаты нельзя принимать за абсолютно точные, но они показывают, что в одних и тех же породах в различных частях региона залегают разновозрастные воды (Примечание ред. Суждение о возрасте воды по возрасту газа весьма условное. Насыщение вод газами могло, произойти и после заполнения водой коллектора. Отмеченные обстоятельства заставляют относиться весьма критически к такому определению возраста вод.). В западной части региона залегают воды более молодого возраста (третично-мелового), а в восточных (Умет, Горючка) - нижнекаменноугольного.
Снижение возраста воды в пластах нижнего карбона возможно за счет примешивания к древней воде более молодой воды, поступающей с Воронежского массива и через маломощный мезокайнозойский чехол перекрывающих пород. Этому не противоречит выделенная зона с более молодыми водами, поскольку она тяготеет к Воронежскому массиву, к области питания палеозойских вод.
Возраст вод, насыщающих живетские породы, по расчетам оказывается кембро-силурийским. Возможно, что в анализах растворенных газов имелись погрешности, в силу чего возраст газов оказался завышенным. Но учитывая совпадение расчетов по семи анализам из девяти, условно можно принять, что в породах среднего девона пластовые воды имеют более древний возраст, чем водоносные горизонты.
Вообще этот факт вполне объясним с геологической точки зрения. Нижняя часть разреза осадочных пород в Саратовском Поволжье была подвержена интенсивным и длительным тектоническим процессам. В результате этих процессов нижняя часть разреза осадочных пород, перекрывающих кристаллическое основание, сильно деформирована, в них развита густая сеть микро- и макротрещин, вплоть до дизъюнктивов. По этим нарушениям, особенно в зонах флексур, широко развитых в описываемом районе, возможен переток нижних, более высоконапорных вод в вышележащие породы живетского возраста.
О динамике пластовых вод, насыщающих породы палеозойского возраста
По опубликованным данным пластовые воды нижнего карбона движутся с северо-запада на юго-восток с градиентами потерь напоров 0,00044 - 0,00036.
Наиболее полное представление о динамике пластовых вод дает рис. 3, для построения которого использован большой фактический материал, в свое время полученный профессором А.А. Дубянским [1, 2] и дополненный более поздними исследованиями.
На этой карте гидроизопъезы замыкаются западнее Воронежа в Курской и Орловской областях, от которых к периферии линии равных напоров постепенно разрежаются. Эти обстоятельства позволяют со всей очевидностью сделать такие выводы: во-первых, в Курской, Орловской и частично в Воронежской областях (восточная зона Воронежского массива) расположена область питания пластовых вод верхнедевонских отложений; во-вторых, по мере удаления от области питания скорость потока пластовых вод уменьшается.
Во всех направлениях, в том числе и к востоку, происходит закономерное падение напоров пластовых вод от выделенного центра области питания. В районе Мичуринска-Тамбова выделяется обособленная зона с максимальным напором в Кочетовке. Хотя в этой зоне напоры почти на 65 м ниже, чем в центральной области питания, линии меньших напоров замыкаются западнее Кочетовки и Мичуринска. Этот факт служит хорошей иллюстрацией влияния дренажа речных долин на поток неглубоко залегающих пластовых вод.
Река Воронеж как бы перехватывает этот поток, разгружая пластовые воды, в силу чего и напоры вод как с запада, так и с востока, вопреки общей тенденции снижения напоров в восточном направлении понижаются к долине этой реки. Этим и объясняется наличие локализованного участка напоров вод верхнего девона в районе Мичуринск-Тамбов.
Дон, протекающий западнее р. Воронеж, не оказывает такого дренирующего влияния в этом районе, так как врезы долин рек Воронеж и Дон на широте Мичуринска неодинаковы. Долина р. Воронеж прорезает породы на 20 м глубже, чем долина р. Дон. Южнее, на широте Ельца, врез русла р. Дон выше вреза русла р. Воронеж на 10 м, а севернее г. Воронеж врезы долин этих рек выравниваются.
Таким образом, на участке от Данкова до Рамони врез долины р. Дон выше вреза долины р. Воронеж на 10-20 м. Вероятно, такой разницы глубин вреза долин этих рек достаточно для того, чтобы наиболее глубоко врезанная долина р. Воронеж дренировала водоносные горизонты верхнего девона не только в пределах своего бассейна, но и на больших площадях. С этим заключением вполне согласуются величины потери напоров пластовых вод от р. Дон к р. Воронеж (20-25 м) и разности глубин врезов этих русел (20 м). Южнее Рамони врезы русел Дона и Воронежа выравниваются и пластовые воды дренируются уже обеими долинами этих рек. К сожалению, в более восточных районах данных о напорах вод недостаточно для выяснения очень интересного вопроса: до каких глубин залегания водоносных горизонтов может сказываться дренирующее влияние речных долин? По-видимому, это не очень большие глубины, так как в Саратовском Поволжье долина р. Волга не влияет на распределение напоров пластовых вод нижнего карбона и девона, хотя водоносные породы нижнего карбона в этом районе на некоторых площадях залегают сравнительно на небольших глубинах 400-500 м (Тепловка, Ириновка). И на гидрогеологических профилях (см. рис. 1, 2) не наблюдается подтягивания конусов высоко минерализованных вод палеозоя к долине Волги.
В заключение необходимо отметить основные положения, вытекающие из рассмотренного материала.
1. Наблюдается зависимость минерализации пластовых вод от глубины их залегания вне зависимости от возраста вмещающих пород.
2. Пластовые воды карбона и девона в Саратовском и Сталинградском Поволжье движутся с северо-запада на юго-восток и с запада на восток, причем с увеличением глубины залегания вод скорости их движения уменьшаются.
3. Водонасыщенные породы палеозойского возраста связаны в единую гидродинамическую систему, о чем говорят отмеченные выше факты независимости минерализации вод от возраста вмещающих пород и однозначное направление потоков глубинных вод.
4. Возраст пластовых вод в большинстве случаев не соответствует возрасту водовмещающих пород. В более высокозалегающих горизонтах воды имеют более молодой возраст, чем породы; с увеличением глубины залегания вод возраст их приближается к возрасту пород и возможно может быть более древним за счет подтока по разломам более высоконапорных вод из нижезалегающих горизонтов.
5. Областью питания палеозойских вод Саратовско-Сталинградского Поволжья является Воронежский массив. Для северных районов возможно питание этих вод на Токмовском своде.
Для определения области разгрузки палеозойских вод рассмотренного региона фактических данных пока не имеется. Можно только предположительно отметить, что не исключена разгрузка этих вод по глубинным разломам, широко известным вдоль бортов Прикаспийской депрессии.
Литература
1. Дубянский А.А. Геология и подземные воды северной части Воронежской области, 1939.
2. Дубянский А.А. Геология и подземные воды Курской и Орловской областей, 1948. ВНИИНефть
