Подземные воды - воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Подземные воды – один из основных существующих и перспективных источников водоснабжения. В сравнении с поверхностными водами они обладают более высоким качеством, не требуют дорогостоящей очистки, лучше защищены от поверхностных загрязнений и повсеместно распространены. На долю подземных вод приходится около 40% всего объема воды. Однако подземные воды – фактор, осложняющий строительные работы. Они ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых вод, могут быть агрессивной средой для металлических и бетонных конструкций, способствуют образованию неблагоприятных инженерно-геологических процессов.
Происхождение подземных вод (теории)
Существуют две основные теории происхождения подземных вод: инфильтрационная и конденсационная.
Инфильтрационная теория объясняет образование подземных вод просачиванием вглубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачиваясь по крупным трещинам и порам, вода задерживается на водонепроницаемых слоях, и дает начало подземным водам. Процесс изменчив во времени и определяется природными условиями района: рельефом, водопроницаемостью пород, растительным покровом, деятельностью человека. При понижении уровня подземных вод испарение поверхности уменьшается, а на некоторой глубине становится равной нулю. В этих условиях величина инфильтрационного питания подземных вод возрастает.
Конденсационная теория предполагает возникновение подземных вод в связи с конденсацией водяных паров, которые приникают в поры и трещины из атмосферы. Эти теории дополняют друг друга. Инфильтрационный путь образования подземных вод является основным для подземных вод, залегающих в зоне активного водообмена, в районах с достаточно высоким количеством атмосферных осадков. В районах с небольшим их количеством (пустыни, сухие степи) роль конденсации водяных паров в образовании и питании подземных вод существенно возрастает. Кроме того, воды земной коры пополняются ювенильными водами, которые возникают за счет кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность Земли в виде паров и горячих источников ювенильные воды имеют при вулканической деятельности.
22. Физические и химические свойства подземных вод, их жесткость, агрессивность.
1. Физические свойства подземных вод
При оценке подземных вод для водоснабжения исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства, которые характеризуют органолептические свойства воды. Они обычно прозрачны, бесцветны, не имеют запаха. Вкус зависит от вида и количества растворенных солей и газов. Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносного слоя. Различают холодные воды (0…20 оС), теплые или субтермальные (20…37оС), термальные (37…100оС), перегретые (более 100 оС). Очень холодные подземные воды циркулируют в зоне вечной мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности (Камчатка). На участках действующих водозаборов в основном распространены холодные воды с температурой 5…20оС. С увеличением глубины залегания температура воды по закону геотермической ступени возрастает, достигая на глубине нескольких километров 100 оС и более. Плотность воды изменяется в зависимости о температуры и количества растворенных в ней веществ. Колебания от 0,8 (250оС) до 1,4 г/см (за счет солей). Сжимаемость подземных вод характеризуется коэффициентом сжимаемости, показывающем, на какую долю первоначального объема жидкости уменьшается объем при увеличении давления на 105 Па. Коэффициент сжимаемости составляет (2,5…5,0)10-5Па, т.е. вода в некоторой степени обладает упругими свойствами, что важно при изучении напорных подземных вод. Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость уменьшается. Электропроводность зависит от количества солей в воде (0,02 до 1,00 Ом м). Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации (сотые и тысячные доли мг/л) некоторых радиоактивных элементов могут быть вредными для человека.
2 .Подземная вода представляет собой сложный водный раствор, содержащий растворенные соли, газы, органические вещества и коллоиды. Количественные соотношения между отдельными компонентами обусловливают физические свойства и химический состав подземных вод. Ионно-солевой состав. Подземная вода не встречается в химически чистом виде. В ней обнаружено более 60 элементов периодической системы. Основные компоненты (ионы), определяющие химический тип воды, - Cl, SO4, HCO3, Na, Mg, Ca, K. Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией. О ее величине судят по сухому или плотному остатку, который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105…110оС.
3. Свойство воды, обусловлено содержанием в ней ионов кальция и магния, называют жесткостью. Различают: общую жесткость (все ионы Ca и Mg); карбонатную жесткость (содержание карбонатных и гидрокарбонатных ионов); устранимую (временную) жесткость, определяемую экспериментально после кипячения пробы; некарбонатную жесткость, определяемую вычитанием из общей жесткости карбонатной; неустранимую (постоянную) жесткость, определяемую вычитанием из общей жесткости устранимой жесткости. Жесткие воды дают накипь в паровых котлах, плохо взмыливаются и вызывают другие нежелательные явления.
4. Агрессивность подземных вод. Агрессивное действие вод на бетон проявляется в растворении его карбоната кальция, а также в образовании солей CaSO42H2O, MgSO42H2O и гидросульфоалюмината кальция, вызывающего вспучивание и крошение бетона. Агрессивное действие на металл (коррозия). Проявляется в основном за счет окисления железа с образование ржавчины. Мягкая вода проявляет свою агрессивность еще сильнее из-за ее большой растворимости.
Перед тем как определиться с выбором автономного источника водоснабжения для Вашего загородного участка стоит изучить материал о подземных водах.
В данной статье поговорим кратко о том, что такое подземные воды о их разновидности и глубине залегания.
Что такое подземные воды?
Подземные воды - представляют собой бассейны вод залегающих в слоях земной коры, в горных породах в любом из трёх состояний (жидком, газообразном или твёрдом). Подземные воды образуют водоносные горизонты, располагающиеся между водоупорными пластами грунта или горных пород. Подземные воды делятся на безнапорные и напорные, то есть самоизливающиеся.
Классификация подземных вод по условиям залегания
- Почвенные воды (верховодка). Почвенные воды располагаются в самом верхнем слое земной коры на небольшой глубине (0,2-1 м) и заполняют промежутки между частицами почвы. Почвенные воды могут свободно перемещаться под силой тяжести, либо удерживаться молекулярными силами. В эту же категорию можно отнести верховодку - слой воды, залегающий на глубине до 1,5 метров. Не пригоден для питья, уровень воды зависит от природных осадков. Верховодка может быть источником для полива огорода.
- Грунтовые воды . К грунтовым водам относят подземные воды, залегающие на 1-м от поверхности земли водоупорном слое, который может располагается на глубине от 1,5 метров и более. Грунтовые воды пригодны для питья, хотя легко подвергаются загрязнению. Копка колодца обычно производится до водоносного слоя грунтовых вод. Уровень грунтовых вод колеблется в зависимости от сезона. В засушливое лето уровень может падать до критического, а ранней весной или осенью повышаться максимально. Дебет воды колодца зависит от мощности водоносного слоя грунтовых вод.
- Межпластовые воды . Этот вид подземных вод (водоносных горизонтов) залегает между пластами водоупорных слоёв и уровень воды в нём более постоянен нежели в грунтовых водах. Соответственно вода более чиста, а колодец более глубок. Здесь уже встречаются напорные водоносные горизонты.
- Артезианские воды
. Данный водоносный горизонт залегает на глубине от 100 метров и более между водоупорными слоями горных пород. Название артезианские воды произошло в честь провинции во Франции. Артезианская вода наиболее пригодна для питья. Колодцы копать не целесообразно, поэтому бурят скважины.
При заказе бурение скважин на воду, цена услуги формируется в зависимости от диаметра обсадной колонны и глубины залегания водоносного горизонта. Стоимость бурения начинается от 2100 за метр погонный. Считается, что артезианская скважина обладает неограниченным дебетом. Можно бурить скважину для водоснабжения нескольких загородных домов (воды будет достаточно, а цена будет поделена между заказчиками) или большого коттеджа. - Минеральные воды . Относятся к лечебно-питьевым водам, содержат минеральные соли, полезные химические элементы. Минеральные воды обладают естественной газацией и поэтому залегают в горных водоупорных слоях под давлением. Используется для лечебных целей.
Вода представляет собой наиболее распространенное вещество на нашей планете, благодаря которому поддерживается на ней жизнь. Она находится и в литосфере, и в гидросфере. Биосфера Земли состоит на ¾ из воды. Важную роль в кругообороте данного вещества играют его подземные виды. Здесь она может образовываться из мантийных газов, в процессе стока и т. д. В данной статье мы рассмотрим виды подземных вод.
Понятие
Под подземными водами понимают последние, находящиеся в земной коре, расположенные в горных породах, находящихся ниже поверхности Земли в различных агрегатных состояниях. Они составляют часть гидросферы. Как считает В. И. Вернадский, данные воды могут располагаться на глубине до 60 км. Расчетный объем подземных вод, расположенных на глубине до 16 км, составляет 400 млн кубических км, то есть треть от вод Мирового океана. Они расположены в двух этажах. В нижнем из них находятся метаморфические и магматические горные породы, поэтому здесь количество воды лимитированное. Основная масса воды расположена в верхнем этаже, в котором расположены осадочные породы.
Классификация по характеру обмена с поверхностными водами
В нем выделяют 3 зоны: верхнюю — свободного; среднюю и нижнюю — замедленного водного обмена. Виды подземных вод по составу в разных зонах различны. Так, в верхней из них располагаются пресные воды, использующиеся для технических, питьевых и хозяйственных целей. В средней зоне расположены древние воды различного минерального состава. В нижней части находятся высокоминерализованные рассолы, из которых добывают различные элементы.
Классификация по минерализации
Выделяют следующие виды подземных вод по минерализации: ультра-, пресные, имеющие относительно повышенную минерализацию - только последняя группа может достигать уровня минерализации 1,0 г/куб. дм; солоноватые, соленые, повышенной солености, рассолы. У последних минерализация превышает 35 мг/ куб. дм.
Классификация по залеганию
Выделяют следующие виды подземных вод по условиям залегания: верховодку, грунтовые, артезианские и почвенные воды.
Верховодка в основном формируется на линзах и выклинивающихся пластах слабопроницаемых или водоупорных горных пород в зоне аэрации при инфильтрации поверхностных и атмосферных вод. Иногда она образуется за счет иллювиального горизонта под почвенным слоем. Формирование данных вод связано с процессами конденсации водных паров помимо перечисленных выше. В некоторых климатических зонах они формируют достаточно большие запасы качественной воды, но в основном образуются маломощные водоносные горизонты, исчезающие при засухе и образующиеся в периоды интенсивных увлажнений. В основном данный вид подземных вод характерен для суглинков. Его мощность достигает 0,4-5 м. Существенное влияние на образование верховодки оказывает рельеф. На крутых склонах она существует короткое время или отсутствует вовсе. На плоских степях с понижениями в виде блюдец и плоских водоразделах, на поверхности речных трасс формируется более устойчивая верховодка. Она не имеет гидравлической связи с речными водами, при этом легко загрязняется иными водами. При этом она может питать грунтовые воды, а может расходоваться на испарение. Верховодка может быть пресной или слабоминерализованной.
Грунтовые воды - это часть подземных вод. Они расположены на первом водоносном горизонте от поверхности, залегают на первом водоносном пласте, выдержанном по площади. В основном они - безнапорные воды, небольшой напор могут иметь в участках с локальным водоупорным перекрытием. Глубина залегания, их химические и физические свойства подвержены периодическим колебаниям. Распространены повсеместно. Питаются посредством инфильтрации осадков из атмосферы, фильтрации из поверхностных источников, конденсации водных паров и внутригрунтового испарения, дополнительного питания, поступающего из нижерасположенных водоносных горизонтов.
Артезианские воды - это часть подземных вод, имеющих напор, залегающих в водоносных горизонтах между относительно водоупорными и водоупорными пластами. Они залегают глубже грунтовых. У них в большинстве случаев области питания и создания напора не совпадают. Вода появляется в скважине ниже установившегося уровня. Свойства данных вод менее подвержены колебаниям и загрязнениям по сравнению с грунтовыми.
Почвенные воды представляют собой таковые, которые приурочены к почвенному водному слою, принимают участие в снабжении растений данным веществом, связаны с атмосферой, верховодкой и грунтовыми водами. Они оказывают существенное влияние на химсостав грунтовых вод при их глубоком залегании. Если последние расположены неглубоко, то почва переувлажняется и начинается заболачивание. Гравитационная вода не формирует отдельного горизонта, передвижение осуществляется сверху вниз под действием капиллярных сил или сил тяжести в различных направлениях.
Классификация по формированию
Основными видами подземных вод являются инфильтрационные, которые формируются из-за просачивания атмосферных осадков. Помимо этого они могут образовываться в результате конденсации водяного пара, который попадает в трещиноватые и пористые породы вместе с воздухом. Помимо этого выделяют реликтовые (погребенные) воды, которые были в древних бассейнах, но были захоронены мощными слоями осадочных пород. Также отдельным видом идут термальные воды, которые образовались на последних этапах магматических процессов. Эти воды образуют магматогенные или ювенильные виды.
Классификация движения рассматриваемых объектов
Выделяют следующие виды движения подземных вод (см. рисунок).
Просачивание и осадков из атмосферы происходит в зоне аэрации. При этом данный процесс подразделяется на свободно осуществляемый и нормальную инфильтрацию. Первый предполагает осуществление движения сверху вниз под влиянием силы тяжести и капиллярных сил по неким канальцам и капиллярным порам, при этом пористое пространство не насыщается водой, что способствует сохранению движения воздуха. При нормальной инфильтрации к перечисленным выше силам присоединяются градиенты гидростатического давления, что приводит к тому, что поры полностью заполняются водой.
В зоне насыщения действуют гидростатическое давление и сила тяжести, что способствует перемещению свободной воды по трещинам и порам в стороны, уменьшение напора либо уклона поверхности горизонта, несущего воду. Такое движение называют фильтрацией. Наибольшая скорость движения воды наблюдается в подземных карстовых пещерах и каналах. На втором месте идут галечники. Гораздо более медленное перемещение наблюдается в песках — скорость составляет 0,5-5 м/сутки.
Виды подземных вод в зоне вечной мерзлоты
Данные подземные воды классифицируют на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Первые располагаются в толще многолетней мерзлоты на водоупоре в основном в подножии склонов или на дне речных долин. Они, в свою очередь, делятся на сезонно промерзающие, верховодку, расположенную в деятельном слое; на сезонно частично промерзающие, с верхней частью в активном слое, на сезонно непромерзающие, залегание которых отмечается ниже сезонно промерзающего слоя. В некоторых случаях может происходить разрыв деятельного слоя различных грунтов, что приводит к выходу некоторой части надмерзлотных вод на поверхность, где приобретает вид наледи.
Межмерзлотные воды могут присутствовать в жидкой фазе, но наибольшее распространение получили в твердой фазе; как правило, не подвержены сезонным процессам оттаивания/промерзания. Данные воды в жидкой фазе обеспечивают водообмен с над- и подмерзлотными водами. Могут выходить на поверхность как родники. Подмерзлотные воды являются артезианскими. Они могут быть от пресных до рассолов.
Виды подземных вод России те же, что были рассмотрены выше.
Загрязнение рассматриваемых объектов
Выделяют следующие виды загрязнения подземных вод: химическое, которое, в свою очередь, подразделяется на органическое и неорганическое, тепловое, радиоактивное и биологическое.
В качестве химических загрязнителей в основном выступают жидкие и твердые отходы промышленных предприятий, а также пестициды и удобрения от сельхозтоваропроизводителей. Тяжелые металлы, другие токсичные элементы в наибольшей степени поражают грунтовые воды. По водоносным горизонтам они распространяются на значительные расстояния. Подобным образом ведет себя и загрязнение радионуклидами.
Биологическое загрязнение вызывает патогенная микрофлора. Источниками загрязнения обычно выступают скотные дворы, неисправная канализация, выгребные ямы и др. Распространение микрофлоры определяется скоростью фильтрации и выживаемостью данных организмов.
Является увеличением температуры подземных вод, возникающим при эксплуатации водозабора. Оно может возникать на участках сброса отработанных сточных вод или при расположении водозабора вблизи водоема с более нагретыми поверхностными водами.
Использование недр
Добыча подземных вод как вид пользования недрами регулируется ФЗ «О недрах». На добычу данных объектов требуется получение лицензии. Она выдается по отношению к подземным водам на срок до 25 лет. Срок пользования начинает исчисляться с момента госрегистрации лицензии.
Работы по добыче нужно зарегистрировать в Росреестре. Далее составляют проект и передают его на госэкспертизу. Затем готовят проект организации санохрзоны подземного водозабора, оценивают запасы этих вод и передают расчеты в госэкспертизу, фонд геоинформации и Росгеолфонд. Далее к полученным документам прикладывают свидетельства о праве собственности на землю, после чего подается заявка на лицензию.
В заключение
Какие виды подземных вод есть в России? Те же самые, что и в мире. Площадь нашей страны достаточно большая, поэтому в ней есть и мерзлотные, и артезианские, и грунтовые, и почвенные воды. Классификация рассматриваемых объектов достаточно сложна, и в данной статье она отражена неполная, здесь показаны самые основные ее моменты.
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.
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.
Контрольные вопросы:
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?
Открытие бизнеса
