От чего зависит количество подземных вод. Подземные воды
Все воды, находящиеся в толще горных пород в твердом, жидком или газообразном состоянии, называются подземными
На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе. Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.
Различают:
Питьевые воды – воды, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающие нормативным требованиям и предназначенные для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции. Этот тип вод включает также минеральные природные столовые воды, к которым относятся подземные воды с общей минерализацией не более 1 г/дм 3 , не требующие водоподготовки или не изменяющие после водоподготовки своего естественного состава.
Технические подземные воды – воды различного химического состава (от пресных до рассолов), предназначенные для использования в производственно-технических и технологических целях, требования к качеству которых устанавливаются государственными или отраслевыми стандартами, техническими условиями или потребителями.
Подземные воды так же подразделяют:
Подземные воды в основном образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков и поверхностных вод в толщу земной коры. Вода проходит через водопроницаемые породы до водоупорного слоя и накапливается на нем, образуя подземный бассейн или поток. Такая подземная вода называется инфильтрационной . Количество инфильтрационной воды зависит от климатических условий местности, рельефа, растительности, состава пород верхней толщи, их структуры и текстуры, а также тектонического строения района. Инфильтрационные подземные воды являются самыми распространенными.
Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными.Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой .
Образование подземных вод представляет собой сложный процесс, начинающийся с накопления осадков и тесно связанный с геологической историей района. Очень часто подземные воды различного происхождения перемешиваются между собой, образуя смешанные по происхождению воды.
Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.
В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.
Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период снеготаяния или в период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать. Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.
Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемуюзеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта. Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта - величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.
В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.
Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого - вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.
При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод , т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.
Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат.Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента. Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты - линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.
Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть ненапорными и напорными. Межпластовые ненапорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное. Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров. В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках. Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим. Положение его определяется пьезометрической линией , или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным. Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.
Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть ненапорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков - к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м 3 /ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.
Подземные воды в городе
В городах спрос на воду велик, но подземные водные ресурсы ограничены. Во многом процесс восстановления водных ресурсов зависит от состояния самой городской среды, её экологии. Этот немаловажный фактор отвечает не только за объём подземных водных ресурсов, но и за уровень их загрязнения.
В последние годы изучение грунтовых вод городских пространств входит в состав раздела гидрогеологии.
Проблемы, возникающие при взаимодействии грунтовых вод с городской средой это и загрязнение грунтовых вод через сточные трубы канализации, и понижение уровня подземных вод насосными системами, и угроза затопления грунтовыми водами подземных пространств городской среды (например, метро).
Сейчас вопрос о сохранении и защите грунтовых вод от загрязнения стоит особенно остро. Ведь именно от них во многом зависит стабильность развития большинства городов, что выводит проблему на уровень мирового масштаба.
Отталкиваясь от поставленных задач и основываясь на последних достижениях в области гидрогеологии, учёными разрабатываются новые схемы контроля и наблюдения за уровнем загрязнения грунтовых вод, их активностью в пределах подземного пространства городской среды.
И всё же, какую бы важную роль в процессе развития городского пространства не играла его связь с грунтовыми водами, совершенно очевидно, что в данном виде взаимодействия городской среде отведён удел внешнего ограничителя, нежели равноправного участника.
Многие города используют подземную воду, как питьевую. Все знают, что вода - это восполняемый ресурс, но в то же время сильно подверженный влиянию внешних факторов. Очень важно следить за уровнем грунтовых вод и степенью их загрязнения. Для стабильного развития городского пространства этот хрупкий баланс крайне важен. Халатное отношение к водным ресурсам приводит к весьма плачевным последствиям. Например, в Мехико постоянное снижение уровня грунтовых вод привело к просадке грунта, а затем и к экологическим проблемам.
Показатели подземных вод в Российской ФедерацииРесурсный потенциал подземных вод России составляет 869,1 млн. м 3 /сут и распределен по территории неравномерно, что определяется разнообразием геолого-гидрогеологических условий и климатическими особенностями.
На Европейской территории России его величина составляет 346,4 млн. м 3 /сут и изменяется от 74,1 млн. м 3 /сут в Центральном до 117,7 млн. м 3 /сут в Северо-Западном федеральных округах; на Азиатской территории России – 522,7 млн. м 3 /сут и колеблется от 159,2 млн. м 3 /сут в Дальневосточном до 250,9 млн. м 3 /сут в Сибирском федеральных округах.
Современная роль подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения Российской Федерации характеризуется следующими показателями. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет 45%.
Более 60% городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20% из них имеют смешанные источники водоснабжения.
В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80–85% общего водопотребления.
Наиболее сложной проблемой является обеспечение питьевой водой населения крупных городов. Около 35% крупных городов практически не имеют подземных источников централизованного водоснабжения, а для 37 городов вообще отсутствуют разведанные запасы подземных вод.
Степень использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения определяется как закономерностями распределения ресурсов подземных вод по территории России, так и проводимой многие годы политикой обеспечения населения питьевой водой путем приоритетного использования поверхностных вод.
В настоящее время отмечается низкий уровень использования разведанных месторождений подземных вод и их запасов. Средний уровень использования общих разведанных запасов составляет 18–20%, а в пределах эксплуатируемых месторождений с разведанными запасами – 30–32%.
За последние 5 лет прирост оцененных эксплуатационных запасов составил 6,8 млн. м 3 /сут.
Из подземных источников для удовлетворения питьевых нужд населения и водоснабжения объектов промышленности забрано 28,2 млн. м 3 /сут воды. Суммарная величина добычи и извлечения подземных вод составила 33,1 млн. м 3 /сут, без использования сброшено 5,9 млн. м 3 /сут (17,8% общей величины извлечения и добычи подземных вод).
Для хозяйственных нужд использовано 27,2 млн. м 3 /сут, в том числе: на хозяйственно-питьевое водоснабжение 20,6 млн. м 3 /сут (76%); производственно-техническое водоснабжение – 6,0 млн. м 3 /сут (22%); орошение земель и обводнение пастбищ – 0,5 млн. м 3 /сут (2%).
В результате извлечения и добычи подземных вод на отдельных территориях образовались крупные региональные депрессионные воронки, площади которых достигают значительных размеров (до 50 тыс. км 2), а снижение уровня в центре – до 65–130 м (города Брянск, Курск, Москва, Санкт-Петербург).
В г. Брянск региональная депрессионная воронка, образовавшаяся в верхнедевонском водоносном комплексе, имеет радиус более 150 км и понижение уровня более 80 м. Обширные воронки депрессии образовались в районе городов Курск и Железногорск и на Михайловском железорудном карьере. “Курская” депрессионная воронка в баткелловейском водоносном горизонте имеет радиус 90–115 км, снижение уровня в центре – 64,5 м. На Михайловском карьере воронка достигла 60–90 км в радиусе, уровень понизился с начала осушения карьера на 77,4 м.
В Московском регионе интенсивная эксплуатация подземных вод нижнекаменноугольного водоносного комплекса в течение 100 лет привела к формированию обширной глубокой воронки, площадь которой превышает 20 тыс. км 2 , а максимальное понижение уровня – 110 м. Многолетняя эксплуатация подземных вод гдовского водоносного горизонта в Санкт-Петербурге обусловила образование региональной депрессионной воронки общей площадью до 20 тыс. км 2 с понижением уровня до 35 м.
На территории России, по данным государственного мониторинга состояния недр МПР России, выявлено 4002 участка загрязнения, из них более 80% находится в грунтовых водоносных горизонтах, обычно не являющихся источниками питьевого водоснабжения населения.
По экспертным оценкам, в Российской Федерации доля загрязненных подземных вод не превышает 5–6% объема их использования для питьевого водоснабжения населения.
Наибольшее число участков загрязнения подземных вод расположено на территории следующих федеральных округов: Приволжского (30%), Сибирского (23%); Центрального (16%) и Южного (15%). Из общего количества участков загрязнения подземных вод:
§ на 40% загрязнение связано с промышленными предприятиями;
§ на 20% – с сельскохозяйственным производством;
§ на 9% – с жилищно-коммунальным хозяйством,
§ на 4% загрязнение происходит в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов;
§ на 10% загрязнение подземных вод “смешанное” и обусловлено деятельностью промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов;
§ для 17% участков источник загрязнения подземных вод не установлен.
Наиболее напряженная экологическая обстановка сложилась на участках загрязнения подземных вод веществами I класса опасности. Эти участки выявлены в районах отдельных крупных промышленных предприятий в следующих городах и поселках: Амурск (ртуть), Ачинск (фосфор), Байкальск (ртуть), Георгиевск (ртуть), Ессентуки (ртуть), Екатеринбург (фосфор), Искитим (бериллий), Новокузнецк (фосфор), Казань (бериллий, ртуть), Кисловодск (фосфор), Минеральные Воды (ртуть), Лермонтов (ртуть), Комсомольск-на-Амуре (бериллий), Магнитогорск (тетраэтилсвинец), Новосибирск (бериллий, ртуть), Саянск (ртуть), Свободный (ртуть), Усолье-Сибирское (ртуть), Хабаровск (бериллий, ртуть), Череповец (бериллий) и др.
Наибольшую экологическую опасность представляет загрязнение подземных вод, выявленное в отдельных скважинах на водозаборах питьевого водоснабжения.
Подземными являются воды, располагающиеся под поверхностью земли. Их физическое состояние может быть любым, но для хозяйственных целей интерес представляют именно жидкие водные запасы. Чтобы оптимально использовать данный ресурс, требуется ответ, как образуются подземные воды и каких видов они бывают.
Распределяются подземные воды неравномерно. В самых глубоких слоях, которые состоят из пород высокой плотности, образованных магматическими и метаморфическими процессами, влаги немного. Основная ее часть располагается в поверхностных слоях, состоящих из пород осадочного происхождения.
Водные запасы верхней части разделяются еще на три слоя. Влага верхнего слоя чаще всего является пресной и применяется для разнообразных нужд. В среднем слое встречаются минерализованные воды. Ниже располагаются рассолы с высокой минерализацией и значительным содержанием йода, брома и некоторых других минералов.
Разновидности подземных вод верхнего слоя
Воды поверхностного слоя разделяются на разновидности.
- Первый вид – это верховодка. Она расположена наиболее близко к поверхности грунта и привязана к самому верхнему водоупорному слою. Верховодка непостоянна: в сухой период, при недостатке осадков может исчезать. Чаще всего это воды со слабой минерализацией, но нередко имеющие органические загрязнения и растворенные соли. В качестве источника водоснабжения верховодка является не лучшим вариантом.
- Грунтовые воды находятся сразу над верхним водоупорным горизонтов. Они обладают относительно стабильным соотношением прихода и расхода. Накапливаются эти воды в рыхлых грунтах и разнообразных трещинах. На изменения уровня влияют осадки, деятельность человека, рельеф, климат и прочие факторы.
- Артезианские воды имеют другое название — напорные. Они располагаются между двумя слоями из водоупорных пород. На них действует гидростатическое давление из-за различия уровня питания и выхода на поверхность. У артезианских вод области питания могут быть удалены на весьма значительные расстояния, а их площадь нередко огромна.
Способы формирования подземных вод
Создание запасов подземных вод осуществляется несколькими способами. Одним из главных является просачивание поверхностной влаги и осадков с поверхности в глубину. Этот способ называется инфильтрацией. Помимо осадков в данном процессе участвуют воды всех поверхностных источников. Количество проникающей влаги существенно зависит от характеристик грунта. Если рассматривать осадки, то вглубь уходит около двадцати процентов влаги. Все это входит в глобальный процесс круговорота воды.
Проникающая вода опускается вглубь до слоя из водонепроницаемой породы. Там она задерживается и начинает пропитывать окружающие породы, имеющие поры и трещины. Итогом становится водоносный горизонт.
Процесс просачивания зависит от характеристик поверхностного грунта, который может быть водопроницаемым, полупроницаемым и водоупорным. Проницаемыми для воды являются песчаные, гравийные слои, галечники и крупнообломочные породы. Водонепроницаемыми являются породы созданные магмой или метаморфическими процессами, например, гранитные и глинистые. Относительно проницаемыми являются глинистые пески, песчаники с рыхлой структурой и некоторые другие.
Объемы проникающей влаги зависят не только от характеристик грунта. На этот показатель влияют также рельеф (чем больше наклон, тем больше осадков стекает, не проникая в грунт), количество и особенности растительности и некоторые другие.
На многих территориях именно инфильтрация обеспечивает формирование подземных вод. Однако не стоит забывать и про другие способы, несмотря на их малую долю. Подземная вода образуется путем осаждения водяного пара в пустотах горных пород. Еще один способ – образование ювенильных, т.е. первичных вод. Они возникают при разделении и застывании магмы. Однако чистых ювенильных вод практически не существует, т.к. они сразу же смешиваются с прочими.
Формирование подземных вод происходит постоянно, поэтому их можно считать неисчерпаемым водным ресурсом. Однако при использовании следует соблюдать осторожность. При проникновении в водоупорный горизонт загрязнений исправить ситуацию оказывается очень сложно.
Тема: Основные разновидности подземных вод. Условия формирования. Геологическая деятельность подземных вод
2. Основные типы подземных вод.
1. Классификация подземных вод.
Подземные воды весьма разнообразны по химическому составу, температуре, происхождению, назначению и т. д. По общему содержанию растворенных солей они делятся на четыре группы: пресные, солоноватые, соленые и рассолы. Пресные воды содержат менее 1 г/л растворенных солей; солоноватые воды - от 1 до 10 г/л; соленые - от 10 до 50 г/л; рассолы - более 50 г/л.
По химическому составу растворенных солей подземные воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т.д.).
Воды, имеющие лечебное значение, называются минеральными. Минеральные воды выходят на поверхность в виде источников или выводятся на поверхность искусственно с помощью буровых скважин. По химическому составу, газоносности и температуре минеральные воды делят на углекислые, сероводородные, радиоактивные и термальные.
Углекислые воды широко распространены на Кавказе, Памире, в Забайкалье, на Камчатке. Содержание углекислого газа в углекислых водах колеблется от 500 до 3500 мг/л и более. Газ присутствует в воде в растворенном виде.
Сероводородные воды также распространены довольно широко и связаны в основном с осадочными породами. Общее содержание сероводорода в воде обычно невелико, однако лечебное действие сероводородных вод настолько значительно, что содержание Н2 более 10 мг/л уже придает им лечебные свойства. В отдельных случаях содержание сероводорода достигает 140-150 мг/л (например, известные источники Мацесты на Кавказе).
Радиоактивные воды делятся на радоновые, содержащие радон, и радиевые, содержащие соли радия. Лечебное действие радиоактивных вод очень высоко.
По температуре термальные воды делятся на холодные (ниже 20°С), теплые (20-30°С), горячие (37-42°С) и очень горячие (свыше 42°С). Они распространены в областях молодого вулканизма (на Кавказе, Камчатке, в Средней Азии).
2. Основные типы подземных вод
По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:
· почвенные;
· верховодка;
· грунтовые;
· межпластовые;
· карстовые;
· трещинные.
Почвенные воды располагаются у поверхности и заполняют пустоты в почве. Влага, содержащаяся в почвенном слое, называется почвенными водами. Передвигаются они под действием молекулярных, капиллярных сил и сил тяжести.
В поясе аэрации выделяют 3 слоя почвенных вод:
1. почвенный горизонт переменной влажности - корнеобитаемый слой. В нем совершается обмен влагой между атмосферой, почвой и растениями.
2. подпочвенный горизонт, часто сюда «промокание» не доходит и он остается «сухим».
горизонт капиллярной влаги - капиллярная кайма.
Верховодка - временное скопление подземных вод в близповерхностном слое водоносных отложений в пределах зоны аэрации, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре.
Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее близко к земной поверхности и не имеющие сплошного распространения. Образуются за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в результате конденсации водяных паров в горных породах. Характеризуются сезонностью существования: в засушливое время они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного снеготаяния возникают вновь. Подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). К верховодке относятся также воды, временно появляющиеся в болотных образованиях вследствие избыточного питания болот. Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из водопровода, канализации, бассейнов и др. водонесущих устройств, следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление фундаментов и подвальных помещений. В области распространения многолетнемёрзлых горных пород верховодка относится к надмерзлотным водам. Воды верховодке обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Верховодка, как правило, не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения: устройство прудов; отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы; насаждение растительности, задерживающей снеготаяние; создание водоупорных перемычек и т.п. В пустынных районах путём устройства канавок на глинистых участках - такырах, атмосферные воды отводятся в прилегающий участок песков, где создаётся линза верховодке, представляющая собой некоторый запас пресных вод.
Грунтовые воды залегают в виде постоянного водоносного горизонта на первом от поверхности, более или менее выдержанном, водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, которая называется зеркалом, или уровнем, грунтовых вод.
Межпластовые воды заключены между водоупорными слоями (пластами). Межпластовые воды, находящиеся под напором, называются напорными, или артезианскими. При вскрытии скважинами артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта и, если отметка напорного уровня (пьезометрическая поверхность) превышает отметку поверхности Земли в данном пункте, то вода будет изливаться (фонтанировать). Условная плоскость, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте (см. рис. 2), называется пьезометрическим уровнем. Высота подъема воды выше водоупорной кровли называется напором.
Артезианские воды залегают в водопроницаемых отложениях, заключенных между водонепроницаемыми, полностью заполняют пустоты в пласте и находятся под напором. Установившийся в скважине УВ называют пьезометрическим, который выражается в абсолютных отметках. Самоизливающиеся напорные воды имеют локальное распространение и больше известны у садоводов как «ключи». Геологические структуры, к которым приурочены артезианские водоносные горизонты, называются артезианскими бассейнами.
Рис. 1. Типы подземных вод: 1 - почвенные; 2 - верховодка; 3 - грунтовые; 4 ~ межпластовые; 5 - водонепроницаемый горизонт; 6 - водопроницаемый горизонт
Рис. 2. Схема строения артезианского бассейна:
1 - водонепроницаемые породы; 2 - водопроницаемые породы с напорной водой; 4 - направление стока подземных вод; 5 – скважина.
Карстовые воды залегают в карстовых пустотах, образовавшихся за счет растворения и выщелачивания горных пород.
Трещинные воды заполняют трещины горных пород и могут быть как напорными, так и безнапорными.
3. Условия образования грунтовых вод
Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянным водоносным горизонтом . Около 80% сельских населенных пунктов используют для водоснабжения грунтовые воды. ГВ издавна используются для орошения.
Если воды пресные, то при глубине залегания 1- 3 м они служат источником увлажнения почв. При высоте 1-1,2 м они могут вызывать заболачивание. Если грунтовые воды сильно минерализованы, то при высоте 2,5 - 3,0 м они могут вызвать вторичное засоление почв. Наконец, грунтовые воды могут затруднять проходку строительных котлованов, подпаливать застроенные территории, агрессивно воздействовать на подземные части сооружений и т.д.
Подземные воды формируются разными способами. Часть из них образуется в результате просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод по порам и трещинам горных пород . Такие воды называются инфильтрационными (слово "инфильтрация" обозначает просачивание).
Однако существование подземных вод не всегда можно объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Например, в районах пустынь и полупустынь выпадает очень мало осадков, причем они быстро испаряются. Вместе с тем даже в пустынных областях на некоторой глубине присутствуют подземные воды. Образование таких вод можно объяснить лишь конденсацией водяных паров в почве . Упругость водяного пара в теплое время года в атмосфере больше, чем в почве и горных породах, поэтому пары воды непрерывно поступают из атмосферы в почву и формируют там подземные воды. В пустынях, полупустынях и сухих степях вода конденсационного происхождения в знойное время является единственным источником влаги для растительности.
Подземные воды могут формироваться за счет захоронения вод древних морских бассейнов совместно с накапливающимися в них осадками . Воды этих древних морей и озер могли сохраниться в захороненных осадках, а затем просачиваться в окружающие породы или выходить на поверхность Земли. Такие подземные воды носят название седиментационных вод .
Часть подземных вод по происхождению может быть связана с остыванием расплавленной магмы . Выделение водяных паров из магмы подтверждается образованием облаков и ливней при извержениях вулканов. Подземные воды магматического происхождения называются ювенильными (от лат. "ювеналис" - девственный). Как считает океанолог X. Райт, обширные водные пространства, которые существуют в настоящее время, "вырастали капля за каплей на протяжении всей жизни нашей планеты за счет воды, просачивающейся из недр Земли".
Условия залегания, распространения и образования ГВ зависят от климата, рельефа, геологического строения, влияния рек, почвенного и растительного покрова, от хозяйственных факторов.
а) Связь ГВ с климатом.
В образовании горных вод важная роль принадлежит осадкам и испаряемости.
Чтобы проанализировать изменение этого соотношения, целесообразно воспользоваться картой обеспеченности растений влагой. По отношению осадков к испаряемости выделены 3 зоны (области):
1. достаточного увлажнения
2. недостаточного
3. незначительного увлажнения
В первой зоне сосредоточены основные площади переувлажненных земель, требующие осушения (в отдельные периоды здесь необходимо увлажнение). Области недостаточного и незначительного увлажнения нуждаются в искусственном увлажнении.
В трех областях питания ГВ осадками и теплоты их в зону аэрации различны.
В области достаточного увлажнения инфильтрационное питание грунтовых вод при глубине залегания более 0,5 - 0,7 м преобладает над тепловым их в зону аэрации. Эта закономерность наблюдается в невегетационный и в вегетационный периоды, за исключением сильно засушливых лет.
В области недостаточного увлажнения соотношение инфильтрации осадков с испарением ГВ при неглубоком залегании их различно в лесостепной и степной зонах.
В лесостепях в суглинистых породах во влажные годы инфильтрация преобладает над тепловым ГВ в зону аэрации, в засушливые годы - соотношение обратное. В степной зоне в суглинистых породах в невегетационый период инфильтрационное питание преобладает над тепловым ГВ, а в вегетационный период - меньше расхода. В целом за год инфильтрационное питание начинает преобладать над тепловым грунтовых вод.
В области незначительного увлажнения - в полупустынях и пустынях - инфильтрация в суглинистых породах при неглубоком залегании УГВ несоизмеримо мала по сравнению с расходом в зону аэрации. В песчаных породах инфильтрация начинает увеличиваться.
Таким образом, питание ГВ за счет осадков уменьшается, а расход в зону аэрации возрастает с переходом от области достаточного к области незначительного увлажнения.
б) Связь грунтовых вод с реками.
Формы связи грунтовых вод с реками определяются рельефом и геоморфологическими условиями.
Глубоко врезанные речные долины служат приемником грунтовых вод, дренируя прилегающие земли. Напротив при небольшом врезе, свойственном низовьям рек, реки питают грунтовые воды.
Различные случаи соотношения поверхностных и грунтовых вод показаны на схеме.
Принципиальная расчетная схема взаимодействия подземных и поверхностных вод в условиях изменчивости поверхностного стока.
 |
а - межень; б - восходящая фаза половодья; в - нисходящая фаза половодья.
в) Связь грунтовых вод с напорными.
Если между грунтовыми водами и нижележащим напорным горизонтом нет абсолютноводонепроницаемого слоя, то между ними возможны следующие формы гидравлической связи:
1) УГВ выше уровня напорных вод, вследствие чего возможно перетекание ГВ в напорные.
2) Уровни практически совпадают. При снижении УГВ, например, дренами, будет происходить подпитывание ГВ напорными.
3) УГВ периодически превышают уровень напорных вод (во время поливов, осадков), в остальное время ГВ подпитываются осадками.
4) УГВ постоянно ниже УНВ, поэтому последние подпитывают грунтовые воды.
Грунтовые воды могут получать питание из артезианских вод и через так называемые гидрогеологические окна - участки, где нарушается сплошность водоупорного пласта.
Возможно подпитывание УВ напорными через тектонические разломы .
Гидродинамические зоны ГВ, определяемые рельефом и геологическим строением, тесно связаны с геоструктурными условиями территории. Зоны высокой дренированности свойственны горным и предгорным областям. Зоны низкой дренированности характерны для прогибов и впадин платформенных равнин.
Зональность питания ГВ наиболее отчетливо проявляется в зоне низкой дренированности аридных областей. Она заключается в последовательном увеличении минерализации ГВ с удалением от источника питания реки, канала и др. Поэтому в засушливых районах колодцы для водоснабжения обычно размещают вдоль каналов, рек.
4. Условия образования и залегания артезианских вод.
Артезианские воды образуются при определенном геологическом строении - чередовании водопроницаемых пластов водоупорными. Они приурочены в основном к синклинально или моноклинально залегающим свитам пластов.
Площадь развития одного или нескольких артезианских пластов называется артезианским бассейном. АБ могут занимать от нескольких десятков до сотен тысяч км 2 .
Источники питания напорных вод - осадки, фильтрационные воды рек, водохранилищ, оросительных каналов и др. Напорные воды в определенных условиях пополняются грунтовыми водами.
Расходование их возможно путем разгрузки их в речные долины, выхода на поверхность в форме родников, медленного высачивания через пласты, заключающие напорный слой, с перетеканием в грунтовые воды. Отбор АВ для водоснабжения и орошения также составляют статьи их расходования.
В артезианских бассейнах различают области питания, напора и разгрузки.
Область питания - площадь выхода артезианского пласта на поверхность земли, где происходит его питание. Она располагается на самых высоких отметках рельефа артезианского бассейна в горных областях и водоразделах и т.д.
Область напора - основная площадь распространения артезианского бассейна. В ее пределах подземные воды обладают напором.
Область разгрузки - площадь выхода напорных вод на поверхность - открытая разгрузка (в форме восходящих родников или площадь скрытой разгрузки, например в русле рек и т.д.)
Скважины, вскрывающие АВ фонтанируют, это пример искусственной разгрузки напорных вод.
В пластах, содержащих гипсы, ангидриды, соли, артезианские воды имеют повышенную минерализацию.
Типы и зональность артезианских вод
Артезианские бассейны обычно типизируют по геоструктуре водовмещающих и водоупорных пород.
По этому признаку выделяют два типа артезианских бассейнов (по Н.И. Толстихину):
1. артезианские бассейны платформ, характеризующиеся обычно весьма значительной площадью развития и наличием нескольких напорных водоносных горизонтов (это Московский, Прибалтийский, Днепро-Донецкий и др.)
2. артезианские бассейны складчатых областей, приуроченные к интенсивно дислоцированным осадочным, магматическим и метаморфическим породам. Отличаются меньшей площадью развития. Примеры - Ферганский, Чуйский и др. бассейны.
5. Геологическая деятельность подземных вод.
Подземные воды проводят разрушительную и созидательную работу. Разрушительная деятельность подземных вод проявляется главным образом в растворении водорастворимых горных пород, чему способствует содержание в воде растворенных солей и газов. Среди геологических процессов, обусловленных деятельностью ПВ, прежде всего следует называть карстовые явления.
Карст.
Карстом называется процесс растворения горных пород передвигающимся в них подземным и просачивающимся поверхностными водами. В результате карста в породах образуются пещеры и пустоты различной формы и размера. Протяженность их может достигать многих километров.
Из карстовых систем наибольшую протяженность имеет Мамонтова пещера (США), общая длина ходов которой составляет около 200 км.
Карсту подвержены соленосные породы, гипсы, ангидриды и карбонатные породы. Соответственно и различают карст: соляной, гипсовый, карбонатный. Развитие карста начинается с расширения (под влиянием выщелачивания) трещин. Карст обуславливает специфические формы рельефа. Главная особенность его - наличие карстовых воронок диаметром от нескольких до сотен метров и глубиной до 20 - 30 м. Карст развивается тем интенсивнее, чем больше выпадает осадков и чем больше скорость движения подземных потоков.
Районы, подверженные карсту, характеризуются быстрым поглощением осадков.
В пределах массивов закарстованных пород выделяют зоны нисходящего движения воды и горизонтального - в сторону речных долин, моря и т.д.
В карстовых пещерах наблюдаются натечные образования преимущественного карбонатного состава - сталактиты (нарастающие вниз) и сталагмиты (растущие снизу). Карст ослабляет горные породы, снижает их количество как основание для ГТС. По карстовым пустотам возможна значительная утечка воды из водохранилищ и каналов. И в то же время подземные воды, заключенные в закарстованных породах, могут быть ценным источником для водоснабжения и орошения.
К разрушительной деятельности подземных вод относится суффозия (подкапывание) - это механический вынос мелких частиц из рыхлых пород, который приводит к образованию пустот. Такие процессы могут наблюдаться в лессах и лессовидных породах. Кроме механической различают химическую суффозию, примером которой является карст.
Созидательная работа подземных вод проявляется в отложении ими различных соединений, цементирующих трещины в горных породах.
1 Дайте классификацию подземных вод.
2. При каких условиях образуются грунтовые воды?
3. При каких условиях образуются артезианские грунтовые воды?
4. В чем проявляется геологическая деятельность подземных вод?
5. Назовите основные типы подземных вод.
6. Как влияет верховодка на строительство?
Среди вод суши наибольшие запасы приходятся на подземные воды, общие запасы которых составляют 60 млн км 3 . Подземные воды могут находиться в жидком, твердом, парообразном состоянии. Они располагаются в почве и в горных породах верхней части земной коры.
Способность горных пород пропускать воду зависит от размеров и количества пор, пустот, трещин.
По отношению к воде все горные породы подразделяют на три группы: водопроницаемые (хорошо пропускают воду), водонепроницаемые (задерживают воду) и растворимые.
Растворимые породы - это калийная и поваренная соли, гипс, известняк. Когда подземные воды растворяют их, на глубине образуются большие пустоты, пещеры, воронки, колодцы (это явление называется карстом).
Водопроницаемые породы можно подразделить на две категории: проницаемые во всей их массе (однородно проницаемые) и относительно проницаемые (полупроницаемые). Примерами хорошо проницаемых горных пород служат галечники, гравий, песок. К полупроницаемым относятся мелкозернистый песок, торф и др.
Кроме этого, водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и не влагоемкими.
Невлагоемкие породы - это горные породы, которые свободно пропускают воду, не насыщаясь ею. Это, например, пески, галечник и др.
Влагоемкие - это горные породы, которые удерживают в себе какое-то количество воды (например, один кубический метр торфа удерживает свыше 500 л воды).
К водонепроницаемым горным породам относятся глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Однако эти породы могут быть разбиты трещинами и в естественных условиях стать проницаемыми.
Слои водонепроницаемых пород, над которыми залегают водоносные породы, называют водоупорными.
На водоупорных породах просачивающаяся вниз вода задерживается и заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы, образуя водоносный горизонт.
Слои водопроницаемых пород, которые содержат воду, называются водоносными.
На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются водопроницаемые слои и водоупорные.
Подземные воды залегают слоями (рис. 1). Их можно разделить на три горизонта:
- Верхний горизонт — это пресные воды, залегающие на глубине от 25 до 350 м.
- Средний горизонт - воды, залегающие на глубине от 50 до 600 м. Они обычно минеральные, или соленые.
- Нижний горизонт — вода, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Залегает на глубине от 400 до 3000 м.
Глубокие горизонты вод могут быть ювенильным и (магматического происхождения) или реликтовыми. Вода нижних горизонтов в большинстве случаев образовалась в период формирования заключающих их осадочных пород.
По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные, верховодку и воды насыщения — грунтовые и межпластовые (рис. 2).
Почвенные воды и верховодка
Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы. Они необходимы для нормальной жизни растений.
Верховодка залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В наших климатических условиях она появляется весной после таяния снега, иногда осенью.
Рис. 1. Слои подземных вод
Рис. 2. Виды вод по условиям
Грунтовые воды
Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют мощностью водоупорного слоя.
Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ.
В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать.
Так как глубина залегания грунтовых вод определяется прежде всего климатическими условиями, в разных природных зонах она различна. Так, в тундре уровень грунтовых вод практически совпадает с поверхностью, а в полупустынях находится на глубине 60-100 м, причем не повсеместно, и эти воды не обладают достаточным напором.
Большое влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает степень расчлененности рельефа территории. Чем она сильнее, тем глубже находятся грунтовые воды.
Грунтовые воды значительно подвержены загрязнению.
Межпластовые воды
Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые.
Особую группу подземных вод составляют напорные межпластовые воды. Они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.
Вскрытые скважинами и поднимающиеся вверх, они изливаются на поверхность или фонтанируют. Так устроены артезианские колодцы (рис. 3).
Рис. 3. Артезианский колодец
Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. По химическому составу различают пресные (до 1 г солей на 1 л воды), слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды) и минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) подземные воды. При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Минеральные воды по своему составу могут быть углекислыми, щелочными, железистыми и т. д. Многие из них имеют лечебное значение.
Температура подземных вод
По температуре подземные воды подразделяются на холодные (до +20 °С) и термальные (от +20 до +1000 °С). Термальные воды обычно отличаются высоким содержанием различных солей, кислот, металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.
Естественные выходы подземных вод (обычно грунтовых) на поверхность земли называется источниками (родниками, ключами). Они образуются обычно в пониженных местах, где земную поверхность пересекают водоносные горизонты.
Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 °С), теплыми (от 20 до 37 °С) и горячими, или термальными (свыше 37 °С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония).
Значение и охрана подземных вод
Подземные воды имеют большое значение в природе: являются важнейшим источником питания , болот; растворяют различные вещества в породах и переносят их; при их участии формируются карстовые и оползневые формы рельефа; при близком залегании к поверхности могут вызывать процессы заболачивания; снабжают растения влагой и растворенными в них элементами питания и т. д. Они широко используются человеком: являются источниками чистой питьевой воды; применяются для лечения целого ряда заболеваний человека; обеспечивают производственный процесс водными ресурсами; используются для орошения полей; из термальных вод получают большое количество различных химических веществ (йод, гауберову соль, борную кислоту, различные металлы); тепловая энергия подземных вод может служить для обогрева зданий, теплиц, получения электроэнергии и др.
На сегодняшний день во многих регионах состояние подземных вод оценивается как критическое и имеющее опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Несмотря на то что запасы подземных вод велики, возобновляются они крайне медленно, и это необходимо учитывать при их расходовании. Не менее важна и охрана подземных вод от загрязнений.
Подземные воды (причем не только поверхностные, но и глубинные) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека: от предприятий гор но-добываю щей промышленности, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, населенных пунктов и др. Среди загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Происходит ухудшение качества питьевой воды.
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности
Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней
части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень
тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут
существовать без обмена с водой поверхностной и активно участвуют в круговороте воды
в природе.
Структура и свойства воды определяется строением ее молекулы – Н2О в виде
тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер
тетраэдра расположены два положительных заряда ядер атомов водорода, что составляет
гидроль или элементарную дополнительную структурную единицу воды.
Виды подземных вод
1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых
минералов, например, в гипсе – CaSO4·2H2O (.21% воды по массе), мирабилите
Na2SO4.10H2O (.56% воды по массе
2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и
прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся
3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах почвы.
4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на
поверхности мельчайших частиц таких пород, как глины и суглинки. Эта пленка
удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы
5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев
молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от
более толстой пленке к менее толстой.
6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно
перемещаться в почвах по трещинам и порам под действием силы тяжести,
начиная с верхнего почвенного слоя.
7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5 – 3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.
Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капилярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных
горизонтов суглинков и глин.
Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может
присутствовать и в виде льда.
Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой
между атмосферой и гидросферой.
Классифицировать подземные воды можно по разным признакам – по условиям
залегания, по происхождению, по химическому составу.
Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные,
подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или
артезианские.
Верховодка – это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах
зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном,
выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.
Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты
глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или
флювиогляциальных отложений.
Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный
горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются
грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды
могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но
трещиноватыми.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего
слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не
остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки,
количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала
грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.
Движение и режим грунтовых вод.
Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа повышаясь на
водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.
В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может
изменяться и летом дебит источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка
Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям,
располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов
может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше
его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном
горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.
Напорные или артезианские межпластовые воды образуются в том случае, если
водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен либо к пологой
синклинали или мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента. Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.
Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому
они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя
области: питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на
поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие
этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами –
водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а там, где водоносный слой появляется на
поверхности, или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется
областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько
водоносных напорных горизонта, что особенно характерно для артезианских бассейнов в
межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1000-1500 м.
В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние
водоносные горизонты до глубин в 200-5-м содержат преимущественно пресные воды, а
ниже воды обладают уже высокой минерализацией.
В центре Европейской части России находится Московский артезианский бассейн,
располагающийся в пологой чашеобразной впадине – Московской синеклизе. Водоносные
горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а
водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях
синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты
минеральные воды с минерализацией 2,4-4,5 г/л. Это всем хорошо известная московская
минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы
пресных и промышленных вод. На всю территорию России составлены карты
распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной,
так промышленной и термальной.
Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в
виде родников и ключей с холодной, вкусной водой. Родники появляются там, где
происходит разгрузка водоносных горизонтов.
Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине
реки, в нижней части склонов оврагов, там где к поверхности подходят водоупорные
горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также
межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом, вплоть до
высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно, в
виду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки
сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно
водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как
происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер.
Восходящие источники - это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных
вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может
подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому.
Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности
образуется скопление т.н. известкового туфа или травертина, иногда достигающего
нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов
известны на г.Машук в Пятигорске, в районе Кавказских минеральных вод. Туф
образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)2
переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 – углекислого газа. В травертинах часто
находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно
обвалакиваются известковым туфом.
Загрузка...
