Подземные воды и их геологическая деятельность

Под подземными водами мы понимаем все воды, которые находятся в недрах Земли в жидком, парообразном и твердом состоянии и заполняют преимущественно поры, пустоты и трещины в горных породах.

Изучением подземных вод занимается специальная отрасль геологии — гидрогеология, которая рассматривает их происхождение, условия залегания, закономерности движения. физико-химические свойства, а также их связи с атмосферными и поверхностными водами.

По происхождению среди подземных вод различают инфильтрационные, конденсационные, ювенильные и ископаемые воды. Основную роль в образовании подземных вод играют атмосферные осадки, которые проникают в толщу горных пород и затем накапливаются над водоупорными горизонтами. Образовавшиеся таким путем воды называются инфильтрационными. Количество инфильтрующейся с поверхности воды определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом поверхностных отложений, их фильтрационной способностью и трещиноватостью, климатическими условиями, деятельностью человека, состоянием растительного покрова и рядом других факторов.

По А.Ф. Лебедеву, в формировании подземных вод засушливых областей приобретает определенное значение водяной пар, находящийся в атмосфере. Например, при переходе влажного воздуха в почву, где существуют более низкие температуры, чем на дневной поверхности, водяной пар конденсируется так же, как образуется роса при смене температур. Так образуются конденсационные воды. На этом принципе в Соединенных штатах создан «солнечный дистиллятор» для получения воды в пустынях. Для этой цели используется кусок тонкого гигроскопического пластика размером 2х2 м, которым покрывается ямка диаметром 1 м и глубиной 50 см. Конденсирующаяся при этом вода стекает с внутренней стороны пластика в резервуар на дне ямки. Таким путем можно получить в день до полутора литров воды.

Образующиеся инфильтрационным и конденсационным способами подземные воды, перемещаясь внутри земной коры, пополняют запасы морей и рек. Испаряясь с поверхности морей и рек, эти воды пополняют влажность атмосферы и, впоследствии выпадая на Землю в виде различного рода осадков, снова проникают в толщу земной коры. Таким образом, подземные воды, образовавшиеся за счет атмосферных осадков, находятся в состоянии постоянного кругооборота и поэтому называются вадозными, или блуждающими.

В 1902 г. Э. Зюсс предложил ювенильную теорию образования подземных вод. По мнению Зюсса, начало ювенильным водам могут давать газы и пары, выделяющиеся из расплавленной магмы и поднимающиеся по трещинам в земной коре. В отличие от инфильтрующихся поверхностных, т. е. вадозных вод, поступающих сверху вниз, ювенильные воды, имея глубинное происхождение, поступают в верхние слои земной коры из ее недр.

В настоящее время можно считать установленным, что подземные воды образуются различными путями, в которых принимают участие инфильтрационные, конденсационные, ювенильные и другие процессы. Немаловажное значение имеет также процесс инфлюации — поступления воды в недра Земли через крупные пустоты, щели, каналы и т. д.

Физическое состояние подземной воды. По А.Ф. Лебедеву, вода в горных породах может находиться в парообразном, твердом состоянии, в виде кристаллизационной, конституционной, гигроскопической, пленочной, капиллярной и гравитационной вод.

Парообразная вода содержится в воздухе пор горных пород. Эта вода способна перемещаться в сторону меньшей упругости пара. При понижении температуры она, конденсируясь, переходит в жидкое состояние, что же касается воды в твердом состоянии, то она образуется в породах в виде льда при температуре ниже 0°С.

Кристаллизационная и конституционная вода входит в состав минералов. Например, первая из них входит в состав кристаллической решетки минералов в виде молекулы H2O (гипс — CaSO4*2H2O; лимонит — Fe2O3*nН2O и др.). При нагревании эта вода высвобождается, при этом минерал переходит в другой. Так гипс при температуре 107°С переходит в ангидрит. В кристаллическую решетку минералов входит также и конституционная вода в виде ионов ОН1- и H1.

В отличие от этого гигроскопическая вода представляет собой отдельные молекулы, удерживаемые на поверхности частиц молекулярными и электрическими силами. Эта вода образует вокруг частиц породы полимолекулярный слой, связанный с твердой поверхностью водородной связью. По сравнению с обычной водой, она имеет ряд специфических свойств; так, температура ее замерзания равна — 78°С, удельный вес около 1,5 г/см3, обладает некоторыми свойствами твердых тел, в частности, сопротивлением сдвигу. Поэтому эта вода не доступна растениям.

Пленочная вода образует тончайшую пленку на поверхности частиц, удерживаемую молекулярными силами. Движение ее происходит от более толстых пленок в сторону более тонких, покрывающих поверхности пор и трещин. Также как и гигроскопическая, эта вода не может отделиться от частиц породы под влиянием силы тяжести. Однако она оказывает благоприятное действие на деятельность микроорганизмов, способствуя процессам почвообразования.

Капиллярная вода — это вода в капиллярных порах горных пород. Она поднимается по тонким капиллярным трубкам в результате действия сил молекулярного притяжения между водой и частицами грунта. Высота ее подъема зависит от диаметра трубки и вязкости жидкости. Так, например, в суглинках и глинах, имеющих тонкие поры высота подъема может достигать 4—6 м. Известно, что в районах с засушливым климатом капиллярная вода может служить источником снабжения влагой корневой системы растений.

Гравитационная вода содержится в крупнопористых породах с диаметром пор более 1 мм. Она способна перемещаться под влиянием силы тяжести и выполнять большую механическую и химическую работу. Только эти воды практически являются не связанными, т. е. свободными и доступными для эксплуатации. Поэтому, когда говорят о подземных водах, имеют ввиду лишь гравитационные воды. Таким образом, вода в горных породах может содержаться как в связанном, так и в свободном виде.

В случае связанной воды силы молекулярного взаимодействия молекул воды с частицами породы обычно превышают гравитационные силы. К этой группе относятся кристаллизационная, конституционная, гигроскопическая, пленочная и капиллярная воды. Как известно, первые две из них входят в состав минералов и таким образом являются химически связанными водами.

Что же касается пленочной, гигроскопической и капиллярной вод, то эти типы связанной воды характерны для зоны аэрации, представляющей собой поверхностную толщу, свободную от подземных вод. Отличительной особенностью этой зоны является присутствие в порах горных пород воздуха.

Свободная, или гравитационная вода представляет собою воду, перемещение которой обусловлено действием силы ее тяжести. Особенностью такой воды является ее подвижность и способность к перемещению в зависимости от разностей уровней, т.е. гидравлического градиента. Эти воды подчиняются закону Архимеда. В соответствии с этим законом горные породы, находящиеся в зоне, насыщенной свободными водами, теряют в весе столько, сколько весит объем вытесненной ими воды.

Гидрогеологические свойства горных пород. Важнейшими гидрогеологическими свойствами горных пород являются их водопроницаемость и влагоемкость. Под водопроницаемостью понимают способность породы пропускать через себя гравитационную воду. Она определяется наличием пустот, т. е. пористостью у зернистых пород и скважистостью у массивных пород.

Степень водопроницаемости пород характеризуется коэффициентом водопроницаемости, или коэффициентом фильтрации, указывающим скорость, с которой гравитационная вода просачивается через породу при уклоне подземного потока в 45°. Коэффициент фильтрации обычно выражают в литрах за сутки.

По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на пять категорий (табл. 11).

Породы V категории пропускают гравитационные воды в ничтожно малых количествах и в действительности их можно характеризовать как водоупорные. Породы IV и даже III категорий также могут в известных случаях играть роль водоупоров, если они залегают среди более водопроницаемых слоев. Эту относительность понятий «водопроницаемая» и «водоупорная» надо всегда иметь в виду при изучении условий залегания и движения подземных вод.

Влагоемкостью горных пород называют их способность вмещать и удерживать определенное количество воды при данной температуре и давлении. Различают максимальную и молекулярную влагоемкость. Максимальная влагоемкость определяется количеством всех видов воды, содержащихся в породе при условии полного заполнения пор. Молекулярная влагоемкость определяется количеством воды, которое удерживается в породе силами молекулярного сцепления. Разность между полной и молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей породы. Ею определяется количество свободной гравитационной воды, которое можно извлечь из породы. Водоотдача 1 м3 породы носит название удельной водоотдачи.

Классификация подземных вод. В настоящее время единой классификации подземных вод не существует. Существующие классификации основаны на самых различных принципах.

По условиям образования подземные воды делятся на почвенные, верховодку, грунтовые и артезианские. По характеру водовмещающих пород — на поровые, трещинные, жильные, карстовые и пластовые. По гидравлическим признакам воды бывают ненапорные, со свободной поверхностью — грунтовые и напорные — артезианские. По степени минерализации различают пресные, солоноватые, соленые и рассольные.

В связи с тем, что условия залегания подземных вод в поясе насыщения литосферы предопределяют их генезис и все другие свойства, здесь мы приведем классификацию, основанную именно на этом принципе. Итак, по условиям залегания в зоне аэрации выделяют почвенные воды и верховодку, а в зоне насыщения — грунтовые и артезианские воды.

Почвенные воды приурочены главным образом к почвенному слою. Подстилающие почвенный слой горные породы обычно воздушно-сухие, поэтому почвенные воды являются подвешенными. Вглубь эти воды могут передвигаться только в случае выпадения осадков и нарушения их равновесия. В областях избыточного увлажнения они бывают обычно обогащены органическими веществами и имеют желтовато-бурый оттенок и запах гниющих растений и бактерий.

Почвенные воды имеют большое агрономическое значение, так как почвенная влага является одним из элементов плодородия почв.

Верховодка. Ниже зоны почвенных вод часто располагается толща практически сухих пород, содержащих в ничтожном количестве только пленочную воду. Ho если в этой толще имеются прослои и линзы относительно водоупорных пород, то во влажные сезоны года на них очень долго задерживается некоторое количество воды. Эти временные водоносные горизонты известны под названием верховодки. В ряде случаев, где постоянные подземные воды лежат очень глубоко или непригодны для питья по своему составу, местное население нередко использует ее для водоснабжения. Однако это ненадежный источник водоснабжения, так как горизонт верховодки легко загрязняется в результате просачивания сточных вод и, кроме того, количество воды в этом горизонте непостоянно. В то же время верховодка имеет большое значение для питания растений, в частности древесных культур. Однако в зоне избыточного увлажнения она заболачивает местность, вызывая в почве нежелательные восстановительные процессы.

Грунтовые воды представляют собой постоянный во времени и значительный по площади распространения горизонт подземной воды, залегающей на первом водоупорном горизонте. Вследствие отсутствия у этих вод водоупорной кровли они получают питание за счет инфильтрации и конденсации атмосферной влаги на всей площади распространения. Глубина их залегания относительно невелика и обычно колеблется от 1—2 до 20—50 м. Режим их, из-за сезонных климатических условий, подвержен значительным колебаниям. Между выпадающими атмосферными осадками и уровнем грунтовых вод, расходом (дебитом) и физико-химическими свойствами существует прямая связь. Так, например, в сухие сезоны количество воды в этом горизонте может сильно уменьшаться, вплоть до полного исчезновения. Эти воды, хотя и в значительно меньшей степени, чем верховодка, могут загрязняться сверху. В сельской местности они обычно используются для водоснабжения. Водоносный горизонт ограничен сверху зеркалом грунтовых вод, на уровне которого устанавливается вода во вскрывающих ее колодцах. Вообще же поверхность грунтовых вод редко бывает горизонтальной, чаще же она в сглаженном виде повторяет форму рельефа земной поверхности. Поэтому по направлению уклона местности образуются потоки подземных вод под влиянием силы тяжести. Однако скорости движения грунтовых вод, по сравнению со скоростью течения воды в реках, невелики и не превышают: 1) в галечниках и сильнотрещиноватых породах — 100 м в сутки; 2) в крупнозернистых песках — 15—20 м в сутки и 3) в мелкозернистых песках — 1—5 м в сутки.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых наличием водоупорной кровли и залегают между двумя водоупорными горизонтами, не заполняя при этом полностью всей мощности водоносного горизонта. Областью питания межпластовые воя служат иногда очень удаленные районы, где питающий водоносный слой выходит на земную поверхность. Эти воды обычно не зависят от сезонных изменений количества осадков и испарения в данной местности и отличаются значительным постоянством в их режиме. В отличие от грунтовых, межпластовые воды защищены водоупорным горизонтом от поверхностного загрязнения и, таким образом, являются наиболее благоприятными источниками водоснабжения.

Напорные, или артезианские воды. При насыщении водой всего водопроницаемого слоя поверхность водного горизонта совпадает с подошвой кроющего водоупора. При этом вода обычно обладает определенным гидростатическим напором. Если же вскрыть скважинами напорный горизонт, то вода поднимается выше кровли водоносного горизонта, а в некоторых случаях даже фонтанирует. Линия, соединяющая отметки установившегося напорного уровня в скважинах, образует так называемый пъезометрический уровень. Свободное зеркало подземных вод можно рассматривать как частный случай пъезометрического уровня, когда он располагается ниже водоупорной кровли и напор равен нулю.

Напорные, или артезианские воды образуются в определенных структурных условиях. Большие скопления такого типа вод приурочены к так называемым артезианским бассейнам, представляющим собой в большинстве случаев огромные мульды или прогибы пластов земной коры в десятки, сотни и даже первые тысячи километров в поперечнике и многие сотни и тысячи метров в глубину (рис. 30).

Крупные артезианские бассейны служат важнейшими источниками водоснабжения больших промышленных и сельскохозяйственных районов на всех континентах земного шара. В пределах бывш. СССР имеется целый ряд тектонических впадин, представляющих собой идеальные условия для артезианских бассейнов. Например, широкой известностью пользуется Подмосковный артезианский бассейн, имеющий ряд напорных горизонтов, часть из которых дает сильно минерализованную, а другие — пресную воду. В настоящее время много артезианских скважин со свежей родниковой водой пробурено в самой Москве.

Из других крупных бассейнов артезианских вод следует отметить Ангаро-Ленский, Днепровско-Донецкий, Прикубанский, Чу-Таласский (Казахстан) и многие другие. Народнохозяйственное значение артезианских вод велико. Она служат для водоснабжения ряда городов, в том числе таких крупных промышленных центров, как Москва, Киев, Харьков и др. Отличительной их особенностью является способность образовывать восходящие источники, несовпадение областей питания с областями распространения, малая загрязненность и т. д. Поэтому эти воды имеют ряд преимуществ по своим вкусовым качествам, температуре и гигиеническим свойствам перед поверхностными и грунтовыми водами. Пресные артезианские воды широко используются для водоснабжения сельских местностей, а также для орошения и обводнения засушливых районов нашей страны.

Источники. В местах пересечения водоносного горизонта оврагами и речными долинами или разрыва водоупорной кровли трещинами происходит вскрытие подземного потока. Подземные воды начинают вытекать в виде ключей, родников или источников на поверхность Земли. В зависимости от распределения количества атмосферных осадков по сезонам года, а для источников, питаемых глубокими водоносными горизонтами, также от расстояния области питания водоносного горизонта от области его разгрузки, источники могут быть постоянными или пересыхающими.

По способу истечения воды источники бывают нисходящие и восходящие. В нисходящих источниках вода, высачивающаяся на склоне или у его основания, спокойно стекает вниз по уклону. В восходящих источниках вода выходит под напором, так что в лужице, образующейся обычно над местом ее выхода, она как бы бурлит «бьет ключом». Это явление косит название грифона. Классическим примером восходящих источников являются фонтанирующие артезианские воды, проникающие через трещины в водоупорной кровле. Восходящие источники могут появиться и в случае местного напора, а также под влиянием давления газов и паров. Поэтому судить о напорном или безнапорном режиме подземных вод только по одному факту появления восходящих источников не всегда возможно.

Расход, или дебит источников, также как и колодцев, связан с водообильностью водоносного горизонта и скоростью водоотдачи горных пород. В песчано-глинистых и сланцевых породах дебит источников обычно менее 1 л/сек, з галечниках и трещиноватых породах иногда может достигать более 10 л/сек (36 м3/ч).

Температура и химический состав подземных вод. Температура подземных вод зависит как от глубины их залегания, так и глубины циркуляции. Так, например, неглубоко залегающие грунтовые воды испытывают сезонные колебания температуры лишь с некоторым запаздыванием во времени, по сравнению с сезонными изменениями температуры на земной поверхности.

Воды, залегающие глубже, в поясе постоянных температур, сохраняют неизменную температуру в течение всего года, равную среднегодовой температуре данной местности. Так, известно, в областях, где среднегодовые температуры выше нуля, подземные воды не замерзают даже зимой.

Воды, циркулирующие на еще большей глубине, ниже пояса постоянной температуры, нагреты выше среднегодовой температуры местности и тем выше, чем глубже они залегают. Здесь начинает действовать тепло, поднимающееся из глубоких недр Земли. В зависимости от температурного режима различают холодные, с температурой до 20°С; теплые — от 20 до 42°С; и горячие, или термальные воды с температурой более 42°С. Нередко термальные воды поднимаются к земной поверхности с большой глубины. Различные источники имеют различную температуру. Так, термальные источники Горячеводска на Кавказе имеют температуру от 44 до 80°, Пятигорские источники — от 27 до 51°, источники Баргузинского заповедника — от 43 до 76°С.

Подземные воды всегда содержат в том или ином количестве растворенные газы и соли. В виде примесей в них могут содержаться углекислый газ, иногда сероводород, метан и другие, а также соли различных кислот и органических веществ.

В.И. Вернадский разделил все воды по степени минерализации на 1) пресные, с сухим остатком до 1 г/л; солоноватые — от 1 до 10 г/л; соленые — от 10 до 50 г/л и рассолы — более 50 г/л (до 550 г/л).

Жесткость подземных вод определяется наличием солей Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl; соленость — CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, NaHCO3, Na2SO4, NaCl-, щелочность — Ca(HCOa)22,Mg(HCO3)2, NaHCO3.

Минерализация подземных вод зависит от степени растворимости горных пород, с которыми эти воды соприкасаются на пути их движения к области разгрузки, от длительности времени соприкосновения с ними, от температуры воды, а также наличия в ней растворимых газов и солей. Циркулируя в порах и трещинах горных пород, они растворяют минералы и обогащаются за их счет сравнительно легко растворимыми солями — карбонатами, сульфатами, хлоридами, а также труднее растворимыми веществами — кремнеземом, окисным железом и др. По степени и характеру минерализации эти воды могут быть довольно разнообразными. Грунтовые и сравнительно неглубоко залегающие межпластовые воды по своему составу сильно зависят от климата. В областях с влажным климатом эти воды обычно пресные или слабоминерализованные. Среди растворенных солей в них преобладают карбонаты кальция и. магния. В засушливых областях, где в водоносные горизонты поступает мало атмосферной воды, обновление ее запасов происходит медленно. Для этих областей характерны более минерализованные, солоноватые, а иногда соленые грунтовые воды, содержащие наряду с карбонатами сульфаты натрия, калия, кальция, а также хлористые соли,

Глубокозалегающие пластовые и трещинные воды отличаются медленным возобновлением запасов или даже почти полной застойностью, поэтому они обычно бывают сильно минерализованными. Иногда они образуют настоящие концентрированные рассолы, пригодные для промышленного выпаривания солей (поваренной и калийной) и извлечения таких ценных элементов, как йод и бром.

Характер минерализации подземных вод сильно зависит от состава пород, по которым они циркулируют. Состав растворенных в воде веществ часто определяет ее целебные свойства. В местах выхода подземных вод с лечебными свойствами, так называемых бальнеологических вод, обычно создаются курорты. Особенно много лечебных минеральных вод выходит в виде источников в молодых горных областях, изобилующих тектоническими разломами, по трещинам которых вода легко поднимается на поверхность.

В пределах нашей страны много лечебных минеральных источников. Это углекислые, сильно газированные воды Кисловодска, например, нарзан; сероводородные воды Мацесты; радиоактивные воды Цхалтубо и Белокурихи и т. д. Богата минеральными источниками также Восточная Сибирь, в частности Забайкалье. Так, например, здесь известны такие крупные курорты с минеральными водами, как Аршан, Дарасун, Горячинск, Ильинка, Нилова Пустынь и другие, обладающие высокими лечебными качествами.

О режиме подземных вод. Положение уровня подземных вод, их состав и температура, а также расход источников не остаются все время неизменными, а подвергаются различным изменениям, в совокупности составляющим режим подземных вод. Изучение режима подземных вод является одной из важных задач гидрогеологии, так как те или иные изменения их уровенного режима могут существенно повлиять на условия обводненности и заболачиваемости культурных угодий, а также строительства и эксплуатации различных сооружений. С этой целью, т. е. для установления их режима, производят длительные измерения положений уровня воды в специальных режимных скважинах. В некоторых районах бывш. СССР, где режим подземных вод имеет особо важное значение, созданы специальные государственные гидрогеологические режимные станции, ведущие многолетние работы по изучению колебаний уровня и изменений ряда их характеристик.

Причины колебаний уровня, состава и температуры подземных, в частности, грунтовых вод весьма разнообразны. Главные из них следующие: а) метеорологические условия или факторы; б) влияние уровня поверхностных водоемов и рек; в) инженерная деятельность человека. Среди комплекса метеорологических факторов основную роль играют атмосферные осадки, изменения температуры и давления воздуха. Все эти факторы в совокупности вызывают как сезонные. так и годовые изменения уровня грунтовых вод. Большое воздействие на их режим оказывают также сезонные колебания уровней рек и водоемов. Паводки на реках вызывают в гидравлически связанных с ними грунтовых водах подпор, в результате чего происходит повышение их уровня на всей прилегающей к речной долине территории.

Существенное влияние на уровень грунтовых вод оказывает устройство искусственных водоемов, глубоких карьеров, дренирующих местность, возведение сооружений, асфальтирование обширных площадей, лесопосадки и т. д. Так, например, на ряде участков г. Ростов-на-Дону в результате воздействия целого ряда факторов: как-то течи воды из трубопровода, уменьшения испарения вследствие асфальтирования значительной площади и др., уровень грунтовых вод за последние годы поднялся от 2 до 10—12 м.