18.10.2019 г. Главная arrow Учебные пособия arrow М.Ф.Иванова "Общая геология" arrow Геологическая деятельность подземных вод
         
Главное меню
Главная
Новости
Блог
Ссылки
Ленты новостей
Карта сайта
Фото камней
Гостевая
Общая информация
о камнях
походы и сплавы
Кристаллография
Сейсмика
Учебные пособия
Классификации
ювелирная
Словарь Куликова
Популярно о камнях
Камень в природе
Мертвая природа
История камня
Технические
Диковинки
Люди и камни
Тяжелое серебро
Минералог-любитель
Легенды и мифы
Об алмазах
Камни-талисманы
Полезные ископаемые
Нефть
Геология
 
 
Краткие новости
Геологическая деятельность подземных вод Печать E-mail
Автор Administrator   
19.09.2010 г.

Горные породы не монолитны. Имеющиеся в них поры, полости, трещины могут быть вместилищем вод, именуемых в отличие от поверхностных подземными.
Поры между зернами в рыхлых породах (галечниках, песках) и трещины в кристаллических и сцементированных породах (гранитах, конгломератах) сообщаются между собой, поэтому подземная вода при наличии уклона или напора может перемещаться внутри горной породы. Скорость перемещения при прочих равных условиях будет тем больше, чем крупнее пустоты в породах.
В капиллярных пустотах перемещение подземных вод крайне медленное. При насыщении их водой на границе породы с водой возникают пленки поверхностного натяжения, не позволяющие, с одной стороны, частичкам воды выливаться из пор, а с другой препятствующие проникновению новых порций воды через эту породу.

 

О породах, способных удержать воду при наличии свободного стока, говорят, что они обладают большой водоемкостью, или влагоемкостью. Влагоемкость - свойство горных пород насыщаться водой и удерживать ее в себе. Чем больше воды может удержать порода, тем больше ее влагоемкость. Горные породы по влагоемкости делятся на влагоемкие (глина, разложившийся торф), слабовлагоемкие (мергель, лёсс, супеси), невлагоемкие (трещиноватый гранит, галечник).
В галечниках (в крупных порах между гальками) может поместиться сравнительно большое количество воды, однако при предоставлении ей свободного стока вода вытекает, за исключением небольшого количества, смочившего гальку, т. е. галечники обладают большой водотдачей. Сухая глина, имеющая пористость до 60%, жадно поглощает воду и, насытив ею поры капиллярных размеров, становится водонепроницаемой. Глины обладают малой водоотдачей; влагоемкость их достигает 40 и даже 60%, т. е. 1 м3 глины может впитать в себя и удержать 0,4-0,6 лг3 воды. Средняя пористость песков колеблется в пределах 30-35% (галечников – 15-20%), но поры в них по сравнению с глинами более крупице, поэтому пески менее влагоемки, чем глины. Вследствие большой водоотдачи галечники и пески (то же трещиноватые кристаллические и сцементированные горные породы) способны пропускать через себя в единицу времени несравненно больше воды, чем, например, суглинки.

Способность горных пород пропускать воду называют водопроницаемостью. По этому признаку горные породы разделяются на водопроницаемые (например, галечники, пески, гравий и сильно трещиноватые сцементированные и кристаллические породы), полупроницаемые (супеси, лёсс, трещиноватые мергели и др.), водонепроницаемые, или водоупорные (глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф и все нетрещиноватые сцементированные и кристаллические породы).

Происхождение подземных вод.
Вопрос о происхождении подземных вод для определенных территорий должен решаться самостоятельно. В ряде частных случаев удается установить, каким способом образовалась вода, но распространить это на все области земной поверхности было бы неправильно. Подземные воды образуются в основной своей массе за счет атмосферной влаги. Попав на поверхность Земли в виде атмосферных осадков, вода частично испаряется, частично стекает по поверхности Земли в реки и моря, частично проникает в Землю, просачиваясь через поры (инфильтрация) и вливаясь через трещины в породах (инфлюация). Величина просачивания дождевых и снеговых вол зависит от водопроницаемости пород, состава растительности, от рассеченности поверхности, экспозиции склона, распределения осадков по сезонам года в данной местности. Так, в горных долинах Средней Азии до 45% весенних и осенних осадков фильтруется, зимние осадки идут в основном на формирование поверхностного стока, а летние - на испарение. Здесь на различных склонах одних и тех же хребтов просачивание резко разнится. На северном склоне оно меньше, чем на южном, где горные породы более трещиноваты и не прикрыты мощным слоем почв. Изменение соотношений между поверхностным стоком, испарением и просачиванием во времени и пространстве устанавливается в каждом конкретном месте систематическим наблюдением не менее чем в течение года. Необходимость этого вызывается сложностью и разнообразием факторов, влияющих на величину испарения, стока и просачивания.

Образование подземных вод за счет атмосферной влаги имеет место во всех климатических зонах. В пустынях, где в течение весны, лета и осени, как правило, не бывает дождей, пополнение запасов подземных вод здесь происходит за счет сгущения (конденсации) парообразной влаги, имеющейся в атмосфере и в воздухе почвы. Известно, чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги в парообразном виде он может содержать. При полном насыщении воздуха влагой при 0°С в 1 м3 его может содержаться до 4,5 г парообразной воды, при 15° С - до 12,7 г, а при 35° С - до 40,3 г. Обычно в воздухе наблюдается некоторый недостаток насыщения; воздух в пустынях при температуре 35° С содержит не более 20,3 г, т. е. недостаток насыщения воздуха достигает 20 г, иначе, его относительная влажность равна 50%. Ночью же при температуре 15° С он становится пересыщенным влагой. Избыток влаги (7,6 г) выпадает на поверхность почвы в виде росы, смачивает ее и частично проникает на некоторую глубину.

Процессы конденсации парообразной влаги имеют место как на поверхности Земли, так и непосредственно в пустотах горных пород. «Подземная роса» образуется за счет конденсации пара, содержащегося в воздухе, заполняющем пустоты в почве. При 100% -ной влажности воздуха в пустотах вокруг частиц породы образуется пленка воды. Пленочная вода передвигается от частиц с большим слоем пленки к частицам с меньшей толщиной пленки. Пополнение почвенного воздуха влагой, согласно опытам, поставленным еще в начале XX в. агрономом А. Ф. Лебедевым, может происходить за счет паров воздуха атмосферы, если упругость его будет выше упругости паров почвенного воздуха. Пар, попадая из атмосферы в воздух почвы, где температура ниже, сгущается и пополняет подземные воды. Однако конденсационных подземных вод несравненно меньше, чем инфильтрационных.
Образовавшиеся путем инфильтрации и конденсации атмосферной влаги подземные воды, перемещаясь в земной коре, могут пополнять запасы рек, морей или непосредственно выходить на дневную поверхность. Здесь они испаряются, дополняя влажность атмосферы, и позднее указанным выше путем снова проникают в горные породы. Таким образом, подземные воды, образовавшиеся за счет атмосферных осадков, находятся в состоянии круговорота, почему и получили название «блуждающих», или «вадозных», вод (надо с лат. - странствую).
Воды, не бывшие в круговороте, а образовавшиеся, согласно гипотезе Э. Зюсса (1902 г.), непосредственно из газов магмы, называются магматогенными, или ювенильными (юными), идущими к поверхности Земли из ее недр. Позднее Ф. А. Макаренко, А. М. Овчинников и другие установили, что ювенильные воды, в понимании Э. Зюсса, т. е. в чистом виде, в поверхностных горизонтах не встречаются, но участие их в пополнении подземных вод несомненно (пары воды, выделяющиеся, например, из базальта, составляют 7-8% объема излившегося базальта). Пары воды, так же как и другие компоненты, выделяющиеся из магмы, проникают по разломам в земной коре в ее верхние горизонты, смешиваются с огромным количеством вадозных вод. Последние в свою очередь при благоприятных условиях попадают на большие глубины, где нагреваются, обогащаются новыми солями и газами, приобретая черты ювенильных вод.
Большое участие в питании подземных вод принимают фильтрующиеся воды из каналов и водохранилищ. Весьма небольшую роль в питании подземных вод играют процессы обезвоживания (дегидратации) в земной коре минералов, содержащих воду. Некоторыми учеными, помимо инфильтрационных, конденсационных, дегидратационных, выделяются воды реликтовые (воды древних морей и озер, погребенных в образовавшихся позже осадках), другими их существование в чистом виде, как и ювенильных, отрицается.
Классификации подземных вод. Условия нахождения подземных вод в земной коре, их химический состав, температура и происхождение чрезвычайно разнообразны, поэтому существует множество классификаций подземных вод. Особенно много классификаций по условиям залегания вод. Классификация по условиям образования вод дана выше. В книге принята классификация О. К. Ланге, как получившая наибольшее распространение. Согласно О. К. Ланге среди подземных вод по условиям залегания различают почвенные, грунтовые и межпластовые (ряд ученых (В. И. Вернадский, Г. Н. Каменский, М. П. Толстой) межпластовые воды именуют пластовыми).

Почвенные воды главным образом приурочены к почвенному слою. Подстилающие почвенный слой горные породы воздушно-сухие, поэтому почвенные воды с гидродинамической точки зрения являются подвешенными. Вглубь они могут передвигаться только тогда, когда, например, выпадут осадки и нарушат их равновесие. Воды эти летом прогреваются или даже испаряются, зимой промерзают. В засушливых районах почвенные воды нередко соленые. При высыхании их соли кристаллизуются, накапливаются в почве, превращая ее в солонец и солончак. В областях избыточного увлажнения почвенные воды богаты органическими веществами, вследствие чего они имеют желтовато-бурый оттенок и запах гниющих растений и бактерий. Постоянно избыточно увлажненные почвы называют заболоченными. Почвенные воды, имеющие большое значение для растений, являются серьезной помехой при строительстве и эксплуатации мелкозаглубляемых подземных сооружений.

Грунтовые воды залегают на некоторой глубине от поверхности Земли в пористых (паровые воды), трещиноватых (трещинные воды) или в закарстованных горных породах (карстово-трещинные воды), подстилающихся первым от поверхности Земли хорошо выдержанным слоем водоупорных горных пород. Следовательно, грунтовые воды образуют первый от поверхности выдержанный водоносный горизонт. Вследствие отсутствия у них водоупорной кровли они получают питание за счет инфильтрации и конденсации атмосферной влаги на всей площади распространения; площади питания и распространения совпадают. В питании грунтовых вод могут принимать также участие воды рек, каналов, озер, водохранилищ, а также воды нижерасположенных водоносных горизонтов.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом (скатерть) грунтовых вод, ниже которого до водоупорного ложа все пустоты в горной породе заполнены гравитационной подземной водой, т.е. водой, способной перемещаться из повышенных мест в пониженные под действием силы тяжести. Та часть водоносного слоя, в которой все пустоты заполнены подземной водой, называется зоной насыщения. Выше зеркала грунтовых вод располагается зона аэрации, к верхней части которой приурочены почвенные воды, а к нижней (непосредственно у зеркала грунтовых вод) - воды капиллярной каймы (бахрома). В ней водой заполнены лишь отдельные капиллярные пустоты. Мощность капиллярной каймы для различных пород различна: в крупнозернистых галечниках, в трещиноватых и закарстованных породах, где пустоты крупные, капиллярная кайма практически отсутствует; в мелкозернистых песках мощность ее достигает 0,25 м; в легких суглинках - 0,90 м, а в более мелкозернистых породах мощность ее еще больше. В областях с жарким климатом воды капиллярной каймы вызывают засоление почв, участвуют и в формировании коры выветривания (хлоридной, сульфатной, карбонатной). Так, в ряде районов Каршинской степи и в других пустынных районах Средней Азии в процессе капиллярного подъема подземной воды образуется скопление пористого почвенного гипса, мощность которого в современных шорах достигает 2-2,5 м, а в доисторических - нескольких десятков метров.
В средней части зоны аэрации нет пор, постоянно заполненных водой. Через нее лишь происходит питание нижележащего водоносного горизонта. Однако наблюдаются случаи слияния почвенных и грунтовых вод в местах, например, заболачивания, интенсивного орошения полей, а также при дружном таянии снега.
Подземные воды, накапливающиеся в виде линз над слабопроницаемыми пропластками (в период обильных осадков или обильного таяния снега) в зоне аэрации, рядом гидрогеологов выделяются в особый класс - «верховодка». Эти воды сезонные, поэтому они не имеют большого практического значения.

Амплитуда температурных колебаний грунтовой воды меньше, чем у почвенной. Если грунтовые воды встречаются на глубине нескольких метров, то они никогда (кроме областей многолетней мерзлоты) не промерзают, температура их значительно не понижается зимой и не повышается летом. Летний прогрев и зимнее охлаждение поверхности Земли с резким запаздыванием достигают уровня грунтовых вод, поэтому грунтовые воды в колодцах кажутся прохладными летом и теплыми зимой.
По качеству грунтовые воды довольно различны. Если вмещающие их горные породы содержат небольшое количество растворимых веществ, то и вода в них пресная, мягкая. Если грунтовые воды протекают по горным породам с большим содержанием легкорастворимых солей (NaCl и др.), могут образоваться рассолы, которые нередко используются для выварки из них поваренной соли (воды северо-восточных районов европейской части СССР). Соленоватая и соленая грунтовая вода встречается в пустынях, где расходование подземных вод на испарение резко превышает их пополнение в пределах самой пустыни.

В местах близкого залегания к поверхности Земли грунтовые воды могут быть загрязненными, так как не имеют над собой водонепроницаемой кровли.
Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным; последнее наблюдается лишь там, где имеются участки с застойной грунтовой водой, называемые бассейнами грунтовых вод (обычно в местах понижения водоупорного ложа). Чаще поверхность грунтовых вод в сглаженном виде повторяет рельеф поверхности, несколько повышаясь под холмами и понижаясь между ними. По направлению уклона зеркала грунтовых вод образуются потоки грунтовых вод, подчиняющиеся силе тяжести.
Если водоносный слой пересекается долиной реки, срезается берегом озера или моря, то грунтовая вода выходит на поверхность в виде выпотов, или мочежин, вдоль всего подножья водоносного слоя, а в местах понижения водоупорного слоя или увеличения трещиноватости нередки сосредоточенные выходы грунтовых вод - родники (источники). Источники, образованные грунтовыми водами, нисходящие - безнапорные. В местах выхода источников происходит разгрузка (дренаж) грунтовых вод. Поверхность потока грунтовых вод, снижаясь в сторону выхода их, образует плавную кривую поверхность, носящую название депрессионной поверхности. Она может иметь уклон в сторону озера, реки или от них. В первом случае поверхностные воды питаются за счет подземных вод, во втором - подземные за счет поверхностных. Соотношение уровня грунтовых вод и уровня рек зависит прежде всего от климата местности. В условиях влажного и умеренного климата реки питаются грунтовыми водами (Волга, Днепр, Ока), а в местностях с засушливым климатом чаще грунтовые воды питаются за счет рек (низовья Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи). На соотношение уровней подземных и поверхностных вод существенно влияет деятельность человека, проявляющаяся особенно активно в нашей стране, где за годы Советской власти построены многочисленные водохранилища, проведены крупные оросительные каналы.

Скорость движения грунтовых вод по сравнению со скоростью движения воды в реках невелика. Даже в крупных галечниках и сильно трещиноватых породах она не превышает 100 м/сут, в крупнозернистых песках падает до 15-20 м/сут, а в мелкозернистых песках - до 1-5 м/сут. В слабоводопроницаемых породах воде для прохождения нескольких сот метров требуются месяцы.
Грунтовые воды безнапорные. При вскрытии их колодцами или буровыми скважинами вода в них не поднимается. При отборе воды из колодца вокруг него образуется воронкообразное понижение грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод на различных участках неодинакова. Чаще наблюдаются глубины от 0 до 20 м в зависимости от глубины залегания водоупорного ложа.

Замечена некоторая закономерность в распределении глубин залегания грунтовых вод нашей страны при движении с севера на юг. Для европейской части СССР эта закономерность описана В. С. Ильиным, а для азиатской - О. К. Ланге. Согласно данным В. С. Ильина и О. К. Ланге в областях избыточного увлажнения (север европейской части СССР, Западная Сибирь и др.) грунтовые воды залегают почти у поверхности, они обильные, пресные, но богаты органическими веществами. По мере движения к югу глубина залегания грунтовых вод увеличивается, нарастает и минерализация. В южных районах Причерноморья и особенно Прикаспия наблюдаются соленые грунтовые воды. Указанными авторами выделяется с севера на юг несколько зон грунтовых вод, детально рассматриваемые в курсе «гидрогеология».

Качество и количество грунтовых вод даже в пределах одной и той же зоны подвержены значительным и разнообразным сезонным колебаниям, зависящим от режима выпадающих осадков, режима поверхностных водотоков, с которыми они связаны, от площади питания и от других природных и искусственных факторов. Поэтому режим грунтовых вод (изменение их уровня, состава температуры и других физических свойств во времени) изучается специальными Государственными режимными станциями. Полученный при этом материал дает возможность наиболее полно охарактеризовать водоносный горизонт и дать прогноз о возможных изменениях качества и количества воды, что имеет большое значение при решении народнохозяйственных задач по использованию грунтовых вод и по борьбе с ними.
Грунтовые воды, не подчиняющиеся зональности (азональные грунтовые воды), встречаются в аллювии речных долин, протягивающихся иногда на тысячи километров и потому пересекающих несколько зон. В питании этих вод большое участие наряду с атмосферными осадками принимают речные и грунтовые воды, притекающие со стороны коренных склонов долины и из аллювия боковых притоков. Очевидно, что в аллювиальных отложениях небольших   (особенно  равнинных)   рек,  где аллювий обычно обогащен глинистыми частицами, грунтовые воды не обильны. В долинах крупных рек, таких, как Волга, Днепр, где аллювиальные отложения представлены средне- и крупнозернистыми песками и достигают нескольких десятков метров мощности,  грунтовые воды очень обильны. Обильные потоки грунтовых вод встречаются в древних водно-ледниковых долинах, сложенных в основном крупнозернистыми песками и занимающих обширные пространства. В местах сужения долин или уменьшения мощности аллювиальной толщи, а также при обогащении аллювия пролювием в местах впадения временно действующих притоков происходит выклинивание вод из аллювия часто в виде группы родников.   К грунтовым   водам   относятся также воды в трещиноватых и закарстованных горных породах, выходящих на дневную поверхность. Грунтовые воды в трещиноватых породах сосредоточены в пределах коры выветривания. В этих областях в период таяния снегов и обильных дождей по долинам появляется много родников с малыми расходами.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых наличием водоупорной кровли. Благодаря этому поверхностные воды не могут просочиться до межпластовых на всей площади их распространения. Область питания межпластовых вод иногда удалена от места их расходования на сотни километров.
Если межпластовые водоносные горизонты вскрываются  речной  долиной  или глубоким оврагом и образуют нисходящие родники, то в данном случае подземная вода притекает из области питания в речную долину по наклонной поверхности водоупорного ложа. Такая межпластовая   вода носит название нисходящей. Она не заполняет полностью водоносного слоя и характеризуется, так же как грунтовая  вода,  ненапорной  поверхностью. Нисходящие межпластовые водоносные горизонты могут располагаться несколькими этажами. При вскрытии их оврагом   или   долиной   реки родники также располагаются  несколькими этажами (побережья рек Волги, Дона, Оки).

В тех случаях, когда межпластовый  водоносный горизонт не имеет свободного выхода на поверхность, накапливающаяся в нем вода заполняет его до водоупорной кровли и вследствие этого находится под гидростатическим напором. Высота напора подземной воды зависит от того, насколько область питания водоносного слоя превышает область расходования межпластовой воды. При вскрытии напорных вод буровым колодцем вода в нем поднимается выше водоупорной кровли и притом тем выше, чем больше гидростатический напор, обусловленный величиной превышения зоны питания над зоной разгрузки. В колодцах, заложенных в пониженных участках рельефа, вода может изливаться на поверхность или даже фонтанировать, если пьезометрический, или напорный, уровень вод выше, чем абсолютная отметка устья выработки в данной точке рельефа.

Буровые скважины, в которых вода поднимается под гидростатическим напором, а иногда даже фонтанирует, называются артезианскими (Артезиа, ныне Артуа - местность на севере Франции, где впервые были изучены напорные воды), а горизонт межпластовых вод, обладающих напором воды, носит название артезианского водоносного горизонта. Напорные межпластовые воды образуются в определенных структурных условиях. Наиболее благоприятной для их формирования является прогнутая (синклинальная) форма залегания пластов. Однако подземная вода может оказаться под гидростатическим напором и при односклонном залегании слоя, если водопроницаемость его постепенно уменьшается или он сменяется водонепроницаемым слоем. При чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых пластов может быть несколько водоносных горизонтов с напорной водой.

Областью питания подземных вод является место выхода водопроницаемых пород на поверхность Земли. Области питания и распространения межпластовых вод составляют бассейн артезианских вод. Иногда напорные воды по трещинам или при частичном размыве водоносного горизонта выходят на поверхность, образуя восходящие родники.
Глубина залегания артезианских вод (так же как и наличие их), температура, состав вод определяются естественноисторическими условиями бассейна и прежде всего геологическим строением его.

Артезианские воды широко используются для водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий, так как бассейны артезианских вод нередко содержат большие запасы воды хорошего качества, причем качество и количество ее изменяются мало. В СССР для водоснабжения наиболее широко используются воды Московского, Днепровско-Донецкого и Причерноморского артезианских бассейнов. В последние годы начали осваиваться Западно-Сибирский (крупнейший в мире - его площадь около 3 млн. км2), Тбилисский, Ташкентский и многие другие бассейны Узбекистана, Таджикистана, Туркмении, Киргизии, Казахстана и Кавказских республик. Так, г. Махачкала широко использует для отопления жилых и промышленных зданий, а также для парников воду из артезианского бассейна с t = 65° С. Здесь в ближайшее время будет построена термическая электростанция на артезианской воде t = 160° С (вода будет получена с глубины 2500-3500 м). Широко артезианские воды начинают применяться в качестве минерального сырья, так как они в зонах замедленного обмена, как правило, сильно минерализованы.

 

Добавить комментарий

:D:lol::-);-)8):-|:-*:oops::sad::cry::o:-?:-x:eek::zzz:P:roll::sigh:
Жирный Цитата


« Пред.   След. »
 
   
         
 
Design by Камни
Rambler's Top100