Водопроницаемость и пористость

Пористость нетрещиноватых вулканических пород меняется от менее 1% для плотных базальтов до 85% и более для пемзы. Наиболее типичные значения пористости для даек и пластовых интрузий — менее 5%, для плотных массивных текучих пород — от 1 до 10%, для ячеистых вулканических пород от 10 до 50%. Хотя пористость может быть довольно высокой, водопроницаемость породы зависит главным образом от других ее первичных и вторичных структурных особенностей. Трещины, образующиеся в результате остывания породы, лавовые туннели, пересекающиеся ячейки, жерла, трещины, вызванные продольным изгибом застывшей лавы, и пустоты, оставшиеся между последовательными по времени потоками лавы (рис. 7.7),— некоторые особенности андезитов и базальтов, придающих им высокую водопроницаемость. Также отмечается локальное увеличение пористости вследствие выветривания. Характерным признаком мощной толщи вулканических пород служат погребенные почвы. Эти почвы в большинстве районов менее водопроницаемы, чем вулканические породы, и создают благоприятные условия для образования верховодки. На рис. 7.8 показана лавовая толща с типичными зонами высокой пористости и водопроницаемости.

Если долины находятся вблизи очагов вулканического извержения, лава будет стекать в долины и перекрывать аллювиальные отложения. Если в долинах протекают реки, относящиеся к обширной гидрографической сети, приносимый ими галечник может достигнуть большой мощности и, будучи погребенным, способен образовывать значительные водоносные горизонты. Реки, подпертые лавовыми потоками, образуют озера, впоследствии заносимые мелкоземом, глиной и вулканическим пеплом. Эти отложения образуют водоупорные кровли для водоносных галечников, принесенных рекой. В районах интенсивного вулканизма седиментационные бассейны могут заключать сложно переслаивающиеся толщи аллювиальных отложений, вулканических пород и озерных отложений.

Рис. 7.8, Схема гипотетической лавовоп толщи; показапы различные геологические особенности толщи, определяющие характер пористости и водопроницаемости базальтов. 1 — отверстие в конусе разбрызгивания; 2 — трещина вдоль гребня выдавливания; 3 — жерло; 4 — погребенная почва; 5 — ячейки; 6 — небольшой карман пирокластических пород; 7 — лавовый туннель; 8 — погребенный речной галечник; 9 — трещина охлаждения. Строение лавовой толщи: А — поток молодой глыбовой лавы; Б — поток молодой волнистой лавы; В — погребенный поток древней глыбовой лавы; Г— погребенный поток очень древней волнистой лавы.

Крупные массивы вулканических пород, в которых отсутствуют переслаивающиеся осадочные или пирокластические породы, имеют относительно низкую пористость. Достоверных сведений о пористости массивов пород в литературе почти нет. Уолтерс и Гролье сообщают о быстром подъеме уровня подземных вод в районах, где недавно было начато орошение (рис. 7.9). Данные этих исследователей свидетельствуют о том, что пористость вулканических пород, служащих хорошими и даже отличными водоносными горизонтами, составляет менее 5%. Опытные откачки, выполненные в базальтах Снейк-Ривер, штат Айдахо, показали, что коэффициент запаса здесь равен 0,02—0,06, что позволяет предположить, что эффективная пористость составляет менее 10%, при условии что изучаемые водоносные пласты были полностью безнапорными. Прослои осадочного материала в лавах значительно увеличивают среднюю пористость всей толщи, где преобладают вулканические породы. В благоприятных условиях прослои осадочного материала накапливают воду в природной емкости, тогда как более проницаемые вулканические породы служат путями, по которым вода направляется к скважинам. Однако количество прослоев осадочного материала может быть крайне ограниченным, как, например, вблизи озера Мозес, штат Вашингтон, где из суммарной мощности базальтов в 8042 фута, вскрытых десятью скважинами, только 320 футов приходится на материал невулканического происхождения. Если бы мы смогли извлечь образец породы весом несколько сотен тонн для лабораторных определений водопроницаемости, то для различных типов вулканических пород величина водопроницаемости оказалась бы в диапазоне почти от нуля до более 1000 дарси. Горизонтальная водопроницаемость связана в основном с пространствами между лавовыми потоками, а вертикальная водопроницаемость вызвана главным образом растрескиванием частично затвердевшей лавы на последней стадии ее движения одновременно с растрескиванием вследствие усыхания. По сравнению с горизонтальной водопроницаемостью вертикальная проницаемость обычно очень мала. Во многих районах вертикальная водопроницаемость настолько незначительна, что образуются отдельные напорные водоносные горизонты. При бурении в породах, включающих плотные слои лавы, образующих водоупоры, отмечался напор более 100 футов. На рис. 7.10 показан типичный график изменения уровня воды в скважине, вскрывшей серию продуктивных водоносных горизонтов в толще базальтов.

Рис. 7.9. Гидрограф скважины 19/29—34DJ, пробуренной в базальтах вблизи озера Мозес, штат Вашингтон.

Резкий подъем уровня воды в течение 1952 г. был вызван инфильтрацией избыточных оросительных вод. Водоносные зоны, вероятно, частично напорные. Периодические колебания уровня воды начиная с 1952 г. отражают питание подземных вод в результате сезонного орошения.

Как водопроницаемость, так и пористость вулканических пород имеют тенденцию к медленному снижению в ходе геологического времени. Частично это связано с уплотнением, но главная причина, вероятно, заключается в заполнении пор вторичными минералами. Все докайнозойские вулканические породы южной Бразилии, западной части центральной Индии и восточных районов США слабообводнены и обладают водоносными свойствами, подобными свойствам метаморфических и глубинных изверженных пород.

Выше внимание было обращено главным образом на базальты и андезиты, формирующиеся из лавовых потоков. Богатые кремнием лавы, такие, как риолиты, дациты, более вязкие и изливаются в виде мощных плотных потоков или чаще всего выбрасываются в виде пирокластического материала. Невыветрелые пирокластические породы, подобно аллювию, обладают пористостью и водопроницаемостью, непосредственно связанными с размерами слагающих породу обломков, их отсортированностыо и степенью цементации.

Рис. 7.10. Геологический разрез скважины, пробуренной на острове Мауи, штат Гавайи, и график колебания уровня воды в процессе бурения через серию водоносных горизонтов, сложенных базальтами.

1 — сильно водопроницаемые породы; 2 — погребенные почвы, туфы, застывшая лава, плотные породы умеренной проницаемости; 3—волнистая лава; 4 — глыбовая лава; 5— вулканическая толща Хана; 6 — вулканическая толща Кула; 7— вулканическая толща Хономану; 8 — уровень воды в скважине при бурении; 9 — положение забоя скважины при бурении; 10 — до этой глубины скважина была частично засыпана.

Плохая отсортированность и большое количество мелкозернистого материала приводят к тому, что многие пирокластические отложения имеют низкую водопроницаемость, но их пористость меняется от умеренной до высокой. Сваренные туфы — особый класс пирокластических отложений, образовавшихся в процессе сплавления сильно раскаленных обломков вулканических пород при их падении на поверхность земли. Сваренные туфы обладают пористостью от средней до низкой и весьма низкой водопроницаемостью.

Пирокластические породы, связанные с лавовыми потоками, обычно пористы, но не очень водопроницаемы. Исключение составляют обломочный грубозернистый материал вблизи вулканических жерл и туфы, переотложенные водой. Прекрасным примером водоносного горизонта, сложенного отсортированным водой андезитом, служит формация Мехртен в центральной части штата Калифорния, питающая крупные оросительные скважины с дебитом 500—1500 галл/мин. Часть пород формации Мехртен, представленная отложениями грязевых потоков и метаморфизованным пеплом, образует водоупоры. Риолитовый пепел и туф, залегающие ниже формации Валли-Спрингс, не дают скважинам значительных количеств воды. Сходные результаты была получены при опытных откачках в риолитовом пепле и туфе группы Ок-Спрингс на юге Невады. Скважины, вскрывающие здесь сотни футов водонасыщенных несваренных туфов, имеют производительность лишь несколько галлонов в минуту. Результаты лабораторных исследований этих пород представлены в табл. 7.3. Хотя отдельные образцы сваренного туфа не характеризуются значительной водопроницаемостью, все же эта порода способна пропускать большое количество воды вследствие того, что в ней образуются трещины, которые остаются открытыми на значительных глубинах.

Таблица 7.3

Свойства пород группы Ок-Спрингс (опытный участок в штате Невада)