Геологическая деятельность подземных текучих вод

Все воды, которые находятся ниже поверхности Земли, называют подземными. Такие воды могут либо течь под землей, либо находиться там в неподвижном состоянии.

Подземные воды могут быть первичными, или ювенильными, и вторичными, или вадозными. Ювенильные воды образуются благодаря дегазации магмы на глубине, когда отделяющиеся от магмы газы превращаются в горячую воду. Вадозные воды — это атмосферные осадки, просочившиеся в землю разными путями. Они и составляют основной объем подземных вод. Обычно 85—90% воды скатывается по поверхности рельефа, и только 10—15% просачивается в почву. Вода в горных породах содержится в различных видах (рис. 3.13).

• 1. Вода может находиться в виде пара в пустотах и трещинах в породе.
• 2. Молекулы воды в тонких породах типа суглинков и глин располагаются на поверхности минералов в виде молекулярной пленки, прочно удерживаемой силами молекулярного сцепления. Такую воду называют гигроскопической или прочносвязанной, так как она не может отделиться, стечь с минералов.
• 3. Пленочная, или рыхлосвязанная, вода также образует молекулярную пленку вокруг минералов в породе, но эта пленка толще, поэтому часть воды может с нее стекать.

4. Капельно-жидкая, или гравитационная, вода свободно стекает, перемещается по трещинам под влиянием силы тяжести.

Рис. 3.13. Типы воды, содержащейся в горных породах: 1 — прочносвязанная; 2 — рыхлосвязанная; 3 — гравитационная.

• 5. Капиллярная вода находится в очень тонких нитевидных порах, пронизывающих почву и горную породу. Она не стекает, потому что удерживается в них силами поверхностного натяжения. Хорошо известен мениск в капиллярах, который и связан с такими силами.
• 6. Наконец, вода в породах может находиться в твердом состоянии в виде льда, особенно в зоне многолетнемерзлых пород, а также входить в кристаллическую решетку некоторых минералов, например гипса (CaS0₄ • 2Н₂0), в котором содержится около 21% воды по массе.

Водопроницаемость горных пород — один из важнейших гидрогеологических показателей. Он характеризует способность пород пропускать через себя воду. Всем известно, что есть породы, через которые вода просачивается очень быстро, например галечники, крупнозернистый песок, гравий, трещиноватые известняки. Такие породы называют водопроницаемыми. В то же время для суглинков, торфа, супесей характерно незначительное просачивание воды, отчего их относят к слабопроницаемым горным породам. К водоупорным породам, не пропускающим воду, можно отнести глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Надо отметить, что водопроницаемость и пористость горных пород — это разные понятия (табл. 3.1).

Пористость и водопроницаемость некоторых горных пород.

Существует важное понятие влагоемкости горных пород, которое характеризует способность породы удерживать в себе определенное количество воды. Полной влагоемкостью называют количество воды, которое заполняет все поры и капилляры, а максимальной молекулярной влагоемкостью обозначают то количество воды, которое удерживается в породе на зернах или минералах силами молекулярного сцепления. Эта вода не может быть удалена из породы (рис. 3.14).

Водоотдачей называют то количество воды, которое может быть удалено из породы под действием гравитационных сил. Иными словами, это разница между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью. Для гидрогеологических расчетов необходимо получать воду из определенного объема горных пород, например из 1 м³, и это количество воды называют удельной водоотдачей.

Типы подземных вод. Из курса географии многие, наверное, знают об артезианских скважинах, из которых вода сама изливается или даже фонтанирует на некоторую высоту. Понятно, что это может происходить только в том случае, если вода находится под гидравлическим напором. В других случаях воду приходится доставать из колодцев, либо выкачивать насосом из скважин, либо она просто вытекает ручейком из родника.

Поэтому все подземные воды по условиям их залегания подразделяют на воды:

• 1) напорные (артезианские);
• 2) безнапорные.

Напорные, или артезианские, воды существуют там, где в геологической структуре наблюдается блюдцеобразная форма залегания пластов, причем водоносные слои чередуются с водоупорными. В такой структуре область питания, т. е. те краевые участки, где атмосферная вода просачивается в землю и попадает в водоносный слой, находится выше ее центральных частей. Разница по высоте между этими участками — питания и разгрузки — будет уровнем напорных вод. Этот уровень определяет ту высоту, до которой поднимется вода, если в области разгрузки пробурить скважину или вырыть колодец. До этого же уровня вода будет фонтанировать.

Напорные воды могут образоваться не только в случае чашевидного залегания слоев горных пород, но и при моноклинальном их залегании, когда они наклонены в одну сторону.

Рис. 3.14. 1 — полная влагоемкость; 2 — гравитационная вода стекла: 3 — максимальная молекулярная влагоемкость Таким образом, в случае напорных вод выделяют: область питания — выход на поверхность пород водоносного горизонта; область разгрузки — выход напорных вод на поверхность; область напора — район развития артезианских вод (рис. 3.15).

Безнапорные воды (рис. 3.16) наиболее широко распространены и представлены тремя типами:

• 1) верховодка;
• 2) грунтовые воды;
• 3) межпластовые воды.

Верховодка — это временное скопление воды, образовавшееся в результате просачивания атмосферных осадков. Для того чтобы верховодка возникла, необходим местный водоупорный горизонт.

Верховодка обычно возникает весной, когда таят снега, или летом, во время обильных дождей. В засушливую погоду она исчезает. Вот почему нельзя копать колодец до уровня верховодки: летом он может пересохнуть.

Грунтовые воды — наиболее широко распространенный тип безнапорных вод. Это первый водоносный слой, считая от поверхности. Сложен он обычно песками,.

Рис. 3.15. Напорный и безнапорный водоносные горизонты. Зеркало грунтовых вод стремится к базису эрозии (уровень реки). Артезианские воды (напорные) фонтанируют из скважин до пьезометрического уровня супесями, трещиноватыми породами, которые насыщены водой. Под водоносным слоем располагается водоупорный, представленный глинами, тяжелыми суглинками. Верхнюю поверхность грунтовых вод называют зеркалом грунтовых вод. От него измеряют мощность водоносного слоя до водоупорного горизонта. Если водоносный слой располагается между двумя водоупорными слоями, то такие воды называют межпластовыми.

Грунтовые воды и их режим зависят от климатических условий. Главное — это количество осадков, выпавших в виде дождя или снега зимой. В засушливые годы, в малоснежные зимы зеркало грунтовых вод понижается, вода может даже почти исчезнуть. Тогда пересыхают колодцы, родники, питающие ручьи, болота.

Изучение режима грунтовых вод, распространения водоносных и водоупорных горизонтов; определение влагоемкости пород, характера фильтрации воды — все это входит в задачи гидрогеологии — науки, имеющей важнейшее хозяйственное значение, так как вода, особенно питьевая, — это полезное ископаемое № 1. Многие районы земного шара испытывают острую нехватку воды.

Наверное, вы наблюдали источники, родники или ключи. Чаще всего родники выходят по берегам рек и.

Рис. 3.16. Типы безнапорных вод и их положение в геологическом разрезе озер, в днищах оврагов, т. е. там, где близок уровень разгрузки подземных вод. Особенно бывают хороши ключи, бьющие из водоносных слоев, сложенных крупнозернистым песком с гальками или щебнем. В долинах рек в засушливое лето вблизи воды всегда можно видеть ярко-зеленую траву, так как это тот уровень, вблизи которого грунтовые воды просачиваются на поверхность.

Источники бывают восходящими и нисходящими. Первые из них чаще всего связаны с выходом напорных артезианских вод. Вода в водоносных горизонтах поднимается вверх и самоизливается под напором.

Нисходящие источники связаны с медленным течением воды по уклону водоносного горизонта и появлением ее в местах разгрузки, т. е. там, где водоносный горизонт выходит на поверхность в склоне оврага, долины реки, берега озера.

Количество воды, или дебит, источника (от фр. debit — расход) изменяется и зависит от климатических условий.

Химический состав подземных вод. В природе встречаются как пресные, так и минеральные воды. Однако состав пресных вод сильно зависит от тех пород, по которым они протекают или через которые они фильтруются. Вода при этом обогащается различными минеральными солями благодаря растворению и извлечению их из горных пород.

Вода — хороший растворитель, и поэтому она переводит в водный раствор ионы и молекулы разных пород. Особенно хорошо растворяются в ней каменные соли, гипс, ангидрит, разнообразные карбонаты.

Общая минерализация вод определяется в граммах солей на литр воды или в миллиграммах. Существует целый ряд типов воды по степени минерализации, от пресных, где она составляет 0,2—0,5 г/л, до сильно минерализованных — рассолов, где она доходит до 500 г/л. Это очень много: полкило соли на литр воды.

Важный показатель — качество воды, зависящее от ее химического состава, физических и бактериологических свойств. В хорошей питьевой воде число микроорганизмов в 1 см³ не должно превышать 1 тыс., а болезнетворных бактерий — двух-трех на 1 л воды. Она должна не иметь вкуса, запаха и быть бесцветной. К показателям качества воды относят и ее жесткость — количество растворенных в ней солей кальция и магния. Известно, что в жесткой воде плохо стирать, мыться, варить овощи, так как они долго не развариваются, а на стенках чайников образуется накипь. Надо отметить, что в пресных водах присутствует много химических элементов, но содержание их ничтожно.

Минерализованные, или минеральные, воды представляют собой большую ценность для лечения различных заболеваний, и люди давно используют их. Всем известны курорты Пятигорска, Ессентуков, Кисловодска на Северном Кавказе; Боржоми в Грузии; Арзни и Джермук в Армении; Истису в Азербайджане; Карловы Вары в Чехии и многие другие. Минеральные воды различаются по содержанию в них катионов и анионов. Выделяют воды гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и смешанные — хлоридно-сульфатные. Присутствие разных катионов в этих водах позволяет говорить о натриевой, кальциевой, магниевой или, опять-таки, о смешанной воде, например магниевокальциевой, кальциево-натриевой. В минеральных водах содержатся такие компоненты, как железо, иод, радон, сероводород, бром. Эти воды могут быть холодными, с температурой до +20 °С, и горячими, до +37— 45 °C.

Широкой известностью пользуются углекислые минеральные воды, например знаменитые холодные нарзаны Кисловодска в районе Кавказских Минеральных Вод (КМВ). В этом районе атмосферные воды просачиваются через известняки и мергели при высокой температуре, которую обеспечивают интрузивные массивы, внедрившиеся геологически совсем недавно (9—7 млн лет). Поэтому углекислые минеральные воды развиты в районах молодой магматической деятельности — на Северном Кавказе, в Армении, Грузии, Азербайджане.

Не менее известны и сероводородные минеральные воды, на базе источников которых построены курорты в Кемери (Латвия), в Мацесте (Сочи) и в других местах. Формирование сероводородных вод связано с преобразованиями в осадочных горных породах под влиянием биохимических процессов.

В некоторых районах на Кавказе (Цхалтубо, Пятигорск), на Алтае (Белокуриха) распространены радиоактивные минеральные воды, главным образом радоновые. Они связаны с гранитными интрузивными массивами. Радон-222 образуется при распаде ²³⁸U. Этот газ в 7,5 раза тяжелее воздуха, он без цвета и запаха. Следует отметить, что просачивание радона в помещения через грунт или фундамент зданий оказывает очень вредное влияние на здоровье людей.

Вопросы

• 1. В чем различие вадозных и ювенильных вод?
• 2. В каких видах содержится вода в горных породах?
• 3. Какие силы удерживают капиллярную воду в нитевидных каналах?
• 4. Какие пласты горных пород называют водопроницаемыми, а какие — водоупорными?
• 5. В чем разница между водопроницаемостью и пористостью пород?
• 6. Какие бывают виды влагоемкости горных пород?
• 7. Что такое водоотдача пород?
• 8. От каких факторов зависит выделение напорных и безнапорных вод?
• 9. Почему артезианские скважины фонтанируют?
• 10. Что представляют собой области питания и разгрузки подземных вод?
• 1 1. Что такое верховодка?
• 12. Что представляет собой зеркало грунтовых вод?
• 13. От чего зависит режим грунтовых вод?
• 14. Где обычно располагаются выходы грунтовых вод — родники?
• 15. Какого типа бывают источники?
• 16. Что такое дебит источника?
• 17. Чем пресные воды отличаются от минерализованных?
• 18. Какие геологические условия способствуют образованию минеральных вод?

• 19. Какие бывают типы минеральных вод?
• 20. Где находятся наиболее известные курорты на базе минеральных вод на территории СНГ?
• — ВЫВОДЫ —

Подземные пресные воды — это важнейшее полезное ископаемое. Вода содержится в водоносных горных породах, подстилаемых водоупорными отложениями. Грунтовые воды бывают безнапорными и напорными (артезианскими). Минеральные воды образуются при воздействии на пресные воды вулканических газов или путем извлечения из пород некоторых ионов.

ПОЧЕМУ ВОДА ФОНТАНИРУЕТ?

Все знают, что, если надо получить воду, необходимо выкопать колодец. Но только знатоки понимают, что вода в колодце может оказаться, во-первых, на разной, иногда на очень большой глубине, а во-вторых, ее может не быть там вообще.

Однако существуют такие районы, где бурение скважин для получения воды вдруг завершается фонтанированием последней, иногда на высоту в несколько десятков метров. Создается впечатление, что вода самоизливается под действием высокого давления. Почему же в одних случаях воду надо качать, а в других она бьет вверх фонтаном? Все дело в том, что вода при самоизливании находится под давлением, которое создается в водоносном пласте, заключенном между двумя водоупорными и залегающем в виде тарелки или чаши так, что его края приподняты, а центр опущен. Из-за перепада высот и создается гидростатическое давление, под которым вода и фонтанирует. Впервые такие воды были получены во Франции в провинции Артуа, в древности называвшейся Артезией. Отсюда и пошло название — артезианские воды, артезианские бассейны. Кстати, крупный артезианский бассейн находится в районе Москвы, где из него получают не только пресную воду, но и всем известную «Московскую минеральную» (с глубин от 360 до 600 м из девонских трещиноватых известняков). Дело в том, что Москва находится в центре обширной пологой впадины — Московской синеклизы. Атмосферные осадки, выпадая там, где водоносные слои выходят на поверхность, т. е. в области питания, медленно просачиваются вглубь и под действием силы тяжести стекают к центру бассейна. Разница в высоте между областью питания и областью, где пробурены скважины, и создает то давление, которое заставляет воду самоизливаться.