Подземные воды условия образования. Подземные воды и грунтовые воды. Основные типы подземных вод
Гидрогеология (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + геология) - наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породам, поверхностными водами и атмосферой.
В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиск и разведка подземных вод, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией, в том числе и с инженерной геологией, метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.
Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и эксплуатации месторождений.
Подземные воды.
Подземными считаются все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твердом состояниях. Подземные воды составляют часть гидросферы - водной оболочки земного шара. Запасы пресной воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. В России известно порядка 3367 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется менее 50%. Иногда подземные воды вызывают оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений и сооружают водоотливы.
История гидрогеологии
Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. В частности, свою лепту внесло сооружение копаных колодцев, строившихся в 2-3 тыс. до н. э. в Египте, Средней Азии, Китае и Индии и достигавших глубин в несколько десятков метров. Примерно в этот же период появилось лечение минеральными водами.
Первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле были описаны в работах древнегреческих ученых Фалеса и Аристотеля, а также древнеримских Тита Лукреция Кара и Витрувия. Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением в Египте, Израиле, Греции и Римской империи. Возникло понятия о ненапорных, напорных и самоизливающихся водах. Последние получили в 12 веке н. э. название артезианских - от названия провинции Артуа (древнее название - Артезия) во Франции.
В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М. В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.). До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии, после чего обособилось в отдельную дисциплину.
Распределение подземных вод в земной коре
Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем выделяют три зоны - верхнюю зону свободного водообмена, среднюю зону водообмена и нижнюю зону замедленного водообмена.
Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, йод и другие вещества.
Поверхность грунтовых вод называется «зеркалом грунтовых вод». Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют «мощностью водоупорного слоя».
Формирование подземных вод
Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды - просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нем, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого характера. Так возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Кроме того, подземные воды формируются путём конденсации водяных паров. Выделяются также подземные воды ювенильного происхождения.
Два основных способа образования подземных вод - путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах - главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандозными водами (лат. vadare - идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.
Инфильтрация
Подземные воды формируются из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся в грунт на некоторую глубину, а также из вод болот, рек, озёр и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, попадающей таким образом в почву, составляет 15-20 % от общего количества выпавших атмосферных осадков.
Проникновение вод в грунты зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы - водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески и трещиноватые породы. К водонепроницаемым породам - плотные магматические и метаморфические породы, такие как гранит и мрамор, а также глины. К полупроницаемым породам относятся глинистые пески, лёсс, рыхлые песчаники и рыхловатые мергели.
Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности и растительного покрова. При этом длительный моросящий дождь создаёт лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень.
Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт, а пологие, наоборот, увеличивают просачивание. Растительный покров увеличивает испарение выпавшей влаги, но, в то же время задерживает поверхностный сток, что способствует просачиванию влаги в грунт.
Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод.
Подземные воды также могут образовываться за счёт искусственных гидротехнических сооружений, например таких, как оросительные каналы.
Конденсация водных паров
Второй путь образования подземных вод - это конденсация водяных паров в горных породах.
Ювенильные воды
Ювенильные воды - ещё один способ образования подземных вод. Такие воды выделяются при дифференциации магматического очага и являются «первичными». В природных условиях чистых ювенильных вод не существует: подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом.
Классификация подземных вод
Выделяется три типа подземных вод: верховодка, грунтовые и напорные (артезианские). В зависимости от степени минерализации выделяют пресные подземные воды, соленые, солоноватые и рассолы, по температуре они делятся на переохлажденные, холодные и термальные, а в зависимости от качества подземной воды ее подразделяют на техническую и питьевую.
Верховодка
Верховодка – подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту и занимает ограниченные территории. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, развивается заболачивание. К верховодке также нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя, представленные почти связанной водой, где капельно-жидкая вода присутствует только в период избыточного увлажнения.
Воды верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Как правило, верховодка не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения этого типа вод: устраивают пруды, отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы, насаждения растительности или задерживающие снеготаяние.
Грунтовые воды
Грунтовыми водами называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Они характеризуются более или менее постоянным дебитом. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твердых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям, на него влияют количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова и хозяйственная деятельность человека. Грунтовые воды являются одним из источников водоснабжения, выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.
Артезианские воды
Напорные (артезианские) воды – воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Характеризуются постоянством дебита. Область питания у артезианских вод, размеры бассейнов которых достигают иногда тысячи километров, лежит обычно выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Области питания артезианских бассейнов иногда значительно удалены от мест извлечения воды – в частности, в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.
Артезианские воды (от Artesium, латинского названия французской провинции Артуа, где эти воды издавна использовались) - напорные подземные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин, мульд, флексур и др.), образуя артезианские бассейны. При вскрытии поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют.
Формирование вод - длительный физико-химический процесс преобразования, происходящий на различных глубинах при различных температура и давлениях и включающий испарение и конденсацию, катионный обмен между водами и породами.
Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет по данным А.Ф. Лебедева, 15-20 % общего количества атмосферных осадков.
К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам - массивно- кристаллические породы (гранит, порфир, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины.
Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, лесс, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.
Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.
Кроме того, подземные воды формируются путём конденсации водяных паров. Выделяются также подземные воды ювенильного происхождения.
Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание вглубь Земли.
Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород.
Седиментогенные подземные воды- это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы.
В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность. Количество магматогенных вод незначительно.
Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования - за счёт конденсации водяных паров в горных породах.
В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах - от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли.
В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх - к слою постоянных температур.
В поясе постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири.
Оба способа образования подземных вод - путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах - главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандозными водами (от лат. "vadare" - идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе .
Процессы формирования химического состава подземных вод.
Процесс формирования химического состава подземных вод--сложный многообразный природный процесс, определяющий химический состав подзем-ных вод в каждой дайной точке. П. ф. х. с. п. в. является этапом общей миграции химических элементов в земной коре, который последовательно охватывает:
1) стадию перераспределения химических элементов и изменений форм их соединений как во время формирования источников минерализации, так и в период последующего их существования в геологической истории, а также перераспределение воднорастворимых соединений (минералов) и ионно-солевого комплекса горных пород;
2) стадию перехода комплексов минерализации подземных вод из источников минерализации в воду;
- 3) стадию миграции элементов в подземных водах;
- 4) стадию выпадения компонентов минерализации из подземных вод.
Растворение - важный, широко распространенный процесс, при котором вся порода целиком переходит в раствор (например, растворение галита NaCL). Растворение продолжается до тех пор, пока вода не достигнет предела насыщения.
Растворимость натриевых и калиевых солей с повышением температуры увеличивается, а кальциевых (сульфатных) уменьшается, то соответственно холодные воды кальциевые, горячие - натриевые.
Выщелачивание горных пород состоит в том, что в раствор переходит не вся порода, а только ее растворимая часть. Например, из глинистого известняка вода удаляет углекислый кальция, образуя при этом пустоты.
Обменные реакции (обменная адсорбция) заключается в том, что некоторые катионы, содержащиеся в подземных водах, вытесняют из породы находящиеся на ее поверхности адсорбированные катионы. CaSO 4 +2Na + = Na 2 SO 4 + Ca 2+ .
Микробиологические процессы , обусловлены жизнедеятельностью организмов. Для неглубокозалегающих подземных вод, большой значение имеют аэробные серобактерии, окисляющие сероводород и серу до серной кислоты.
В результате чего воды обогащаются сульфатами, что повышает их агрессивность и жесткость. В некоторых глубоких горизонтах артезианских вод распространены анаэробные бактерии - микробы-десульфуризаторы и микробы-денитрификаторы.
Смешение различных типов вод. Пример: разломы являются путями, по которым глубинные воды поступают в верхние пласты, а в речных долинных часто происходит подпитывание ненапорных вод напорными. Так образуются смеси различных типов подземных вод .
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?
Подземные воды образуются за счет проникновения в земную кору выпавших атмосферных осадков, воды океанов, озер, рек, тающего снега и льда. Количество подземных вод, выделяющихся из магмы, очень незначительно. Так же, по-видимому, невелико и количество воды, образующейся при переходе связанной воды в свободную, совершающемся близ магматических очагов (ювенильные воды).
При проникновении влаги с поверхности в почвогрунт главную роль играет ее просачивание. Меньшее значение имеет проникновение водяных паров, сопровождающееся их конденсацией в порах породы. Однако при определенных условиях этот процесс может оказаться главным. По мнению А.Ф. Лебедева, наиболее благоприятные условия для конденсации влаги имеются в слое постоянной годовой температуры. Важное значение конденсация паров приобретает в области многолетней мерзлоты. За счет конденсации влаги, проникшей из атмосферы, возникают горизонты влажного песка в барханах пустыни.
Интенсивность и величина просачивания определяются сочетанием климатических условий (увлажнение), степени расчлененности рельефа, водопроницаемости почвогрунтов и характера залегания пород.
Физико-географическое значение подземных вод велико и многосторонне. Подземные воды пополняют реки и озера. Они растворяют различные вещества в породах, с которыми соприкасаются, и переносят их (водная миграция элементов). С деятельностью подземных вод связаны сползание слоев породы по склонам (оползни), вынос мелких частичек породы и оседание поверхности (суффозия), растворение пород (солей, гипса, известняка, доломита), сопровождающиеся образованием своеобразных форм рельефа (карст). Грунтовые воды, задерживаясь у поверхности, вызывают ее заболачивание.
Огромна роль подземных вод (особенно почвенных) в снабжении растений влагой и питательными веществами.
Подземные воды используют в городах и в сельской местности. Особенно благоприятны в этом отношении межпластовые воды (в частности, артезианские), предохраняемые от загрязнения водонепроницаемым слоем.
Вдали от рек, в пустынях и полупустынях подземные воды - единственный источник водоснабжения. Они применяются не только для водоснабжения, но и для орошения. В Индии, например, 15% территории орошается подземными водами. На пастбищах в пустынной, полупустынной, степной зонах и в зоне саванны подземные воды обеспечивают водопой животных. Минеральные воды применяют в лечебных целях. На предприятиях химической промышленности из подземных вод извлекают многие химические элементы. Все шире используют горячие подземные воды на теплостанциях, для отопления зданий, в водоснабжении бань, прачечных и т. д.
» новыми видами воды. Сегодня в гостях — подземные воды . Мы поговорим про то, что такое подземные воды, откуда они берутся и куда деваются. По ходу развеем парочку общеобычных заблуждений на тему подземных вод.
Подземные воды — это собирательное название разнообразных залежей воды под землёй. Вода под землёй бывает пресная, очень пресная, солоноватая, солёная, сверхсолёная (например, в криопегах, которые мы затронули в статье «Разнообразие воды в мире «).
Общее для всех типов подземных вод: они располагаются над водонепроницаемым слоем почвы. Водонепроницаемый слой почвы — это грунт, который содержит большое количество глины (не пропускает воду) или грунт из сплошной скальной породы с минимальным количеством трещин.
Если выйти на улицу и расстелить на земле лист полиэтилена, то получится не что иное, как модель водонепроницаемого слоя почвы. Если налить на полиэтилен воду, то она соберётся во впадины, будет перетекать из более высоко расположенных мест в более низкие. Получится модель распределения подземных вод. А если в полиэтилене сделать несколько дырочек разного размера, получится модель проникновения верхних вод в нижележащие горизонты.
Точно так же запасы подземных вод образуются там, где водонепроницаемый слой создаёт углубления. Образуются подземные реки от более высоких углублений к более низким. В местах, где водонепроницаемый слой прерывается, верхние воды спускаются на нижний уровень.
В виде рисунка это можно представить так:
Теперь о том, откуда появляются подземные воды.
Основной источник: дождь. Дождь выпадает, впитывается в землю. Вода проникает через рыхлые верхние рыхлые слои почвы и скапливается в углублениях верхнего водонепроницаемого слоя земли. Этот тип воды называется «верховодка». Он сильно зависит от погоды — если дожди идут часто, вода есть. Если дожди идут реже, воды мало или нет вообще. Также это самый загрязнённый слой подземной воды, поскольку фильтрация через грунт была минимальной, и вода содержит всё — и нефтепродукты, и удобрения, и ядохимикаты и т.д. и т.п. Глубина залегания этого типа воды в основном от 2 до 10 метров.
Далее, в местах разрыва верхнего водонепроницаемого слоя дождевая вода попадает в более низкие водоносные горизонты. Их количество различно, глубина залегания также очень отличается. Так, верхняя граница начинается от 30 метров и может достигать 300 и глубже. Кстати, например, на Украине, частным лицам запрещено использовать воду глубже 300 метров, так как это — стратегический запас страны.
Интересная закономерность — чем глубже расположен водоносный горизонт, тем реже в нём встречаются места связи с более верхними слоями. Так, например, в пустыне Сахара используют подземные воды, которые попали под землю в Европе. Другая закономерность — чем вода глубже, тем она чище и тем менее она зависит от выпадения осадков.
Часто считается, что подземные воды расположены в пустотах. Это случается, но в основном подземные воды — это смесь песка, гравия, других минералов и большого количества воды.
Было сказано, откуда подземные воды берутся, как перемещаются, но не было сказано, куда они деваются. А деваются они либо ещё глубже под землю, либо изливаются на поверхность в виде родников, ключей, гейзеров, источников и прочих подобных явлений. Так, например, Днепр берёт своё начало из-под земли где-то в Белоруссии. Возле мыса Айа (Крым, недалеко от Севастополя), есть источник пресной воды, бьющий в море. Я сам не видел (он держится в тайне:), но ныряльщик рассказывал: ныряешь с бутылкой, открываешь её под водой горлышком вниз, туда набирается пресная вода.
Помимо естественных типов выхода подземных вод существуют и искусственные. Это скважины. И со скважинами связано такое интересное явление, как артезианские воды. Давно, во Франции, в Артезе, пробурили скважину в поисках воды. А вода стала бить из скважины фонтаном. То есть, артезианские воды — это такие воды, которые поднимаются из-под земли без помощи насосов. Таких случаев немного, чаще всего попадаются безнапорные скважины.
Итак, как и всё в природе, подземные воды имеют начало, изменение и конец — они попадают под землю с дождём, путешествуют под землёй из слоя в слой и в конце концов изливаются на поверхность.
Круговорот подземных вод, так сказать 🙂
