Геологическая деятельность подземных вод

Подземными называются воды, находящиеся ниже земной поверхности в теле горных пород. Горные породы не монолитны, они разбиты многочисленными трещинами, образующимися при тектонических движениях, остывании магмы, диагенезе осадков и других процессах. Осадочные породы, особенно обломочные, характеризуются, как правило, пористостью. В этих пустотах (трещинах и порах) содержится вода. И эта вода, соединяясь, образует уже массы воды, которые при наличии уклона или напора, приобретает способность течь, перемещается. Так возникают подземные воды.

Водные массы, сосредоточенные в горных породах, огромны. По оценке В. И. Вернадского, масса подземных вод достигает 5 • 10¹⁷ тонн (500 млн км³), что немногим меньше общей массы Мирового океана. Подземные воды играют огромную роль в человеческой деятельности. Они являются источниками водоснабжения населенных пунктов и источниками лечебными. В других случаях подземные воды используются при поисках ряда полезных ископаемых. Отрасль геологии, занимающаяся изучением подземных вод, называется гидрогеологией.

Происхождение подземных вод. В основной своей массе подземные воды образуются за счет атмосферных осадков. Эти осадки проникают в Землю путем просачивания через поры (инфильтрация), через трещины (инфлюация) и образуют так называемые вадозные воды. Часть подземных вод образуется при остывании магмы — это гидротермы. Гидротермальные воды, поступающие из-под корового вещества, носят название ювенильных вод. Кроме того, выделяются воды конденсационные, образующиеся при конденсации водяных паров в воздухе у поверхности Земли. Заметную роль конденсационные воды играют в пустотах и полупустотах. Выделяются воды остаточные или реликтовые, образующиеся при захоронении вод древних морских бассейнов вместе с осадками морей. Часто эти воды составляют значительную массу, но являются, как правило, солеными. В конечном итоге, все эти воды смешиваются при перемещении по порам и трещинам, образуя смешанные воды.

Классификация подземных вод. По условиям залегания подземные воды подразделяются на пять типов: почвенные, верховодки, грунтовые, межпластовые и трещинные (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Классификация подземных вод:

I — почвенные воды, II — верховодка, III — грунтовые воды, IV — межпластовые воды, V — трещинные воды; 1 — почва, 2 — пески — водоносные породы,.

3 — суглинок, 4 — глина — водоупорные породы, 5 — коренные породы Почвенные воды располагаются у поверхности земли, заполняя поры в почве. Почвенная вода подвержена действию суточных и сезонных температурных колебаний. В умеренных и тропических зонах почвенная вода частично испаряется, частично уходит вниз, образуя другие типы вод. В засушливых зонах почвенная вода постоянно испаряется, заставляя подтягиваться вверх ниже расположенные воды. При испарении минеральная часть вод остается в породе и так раз за разом минерализует почву, главным образом, засолоняет ее — карбонатизирует, загипсовывает.

Верховодка — это самый верхний временный водоносный горизонт, расположенный в зоне аэрации и связанный с областью питания. Горизонт воды здесь не сплошной, в виде линзы мощностью 1—2 м. В засушливое время он исчезает.

Грунтовые воды — воды, залегающие на некоторой глубине от поверхности Земли, ниже зоны аэрации. Подстилаются они слоем водоупорных пород. Водоупорные породы — породы, имеющие низкую водопроницаемость — глины, мергели. Водопроницаемость — способность пород пропускать воду. Влагоемкость — это способность пород поглощать воду и удерживать ее. Главным образом, это глины. Особенностями грунтовых вод являются: наличие уровенной поверхности (уровня грунтовых вод), наличие или отсутствие напора.

Межпластовые воды — воды, заключенные между двумя водоупорами, сверху, со стороны кровли, и снизу, со стороны подошвы. Благодаря водоупорным «тискам» межпластовые воды транспортируются на значительные расстояния от места их питания.

В зависимости от рельефа, гидравлических условий и положения области питания межпластовые воды могут быть напорными и ненапорными (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Разрез межпластовых безнапорных (I) и напорных (II) вод:

1 — водоносные породы, 2 — водонепроницаемые породы, а — область питания, б — область разгрузки, Н — гидростатический напор, Н_г — напор ниже поверхности земли, Н₂ — напор выше поверхности земли При наклонном положении водоносного пласта и соответствующем рельефе, расположенном выше уровня подъема воды, вода из пласта в области разгрузки изливается самопроизвольно. Область разгрузки, называемая дренажем, является нисходящей (ненапорной). Если же поверхность рельефа находится ниже уровня подъема воды, в прогнутой части пласта образуется напор, и при вскрытии его или самопроизвольно вода здесь может изливаться под давлением — напором. Такие воды называются напорными или артезианскими. Артезиа — местность во Франции, где впервые использовали такие воды. Артезианские воды широко используются для водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий. Запасы этих вод, как правило, большие, а качество воды хорошее. Так используются воды Московского, Днепровско-Донецкого, Тбилисского артезианских бассейнов. Очень большим (крупнейшим в мире) является Западно-Сибирский артезианский бассейн — 3 млн км².

Трещинные воды приурочены исключительно к трещинам крепких пород. Они не образуют пластов, а заполняют трещины, которые, соединяясь между собой, образуют изометричные природные резервуары (массивы воды). Это чаще всего минеральные источники в областях активной вулканической или тектонической деятельности.

Подземные воды классифицируются также по содержанию растворенных солей и их химическому составу. Суммарное количество растворенных солей называют общей минерализацией вод. Образование минерализации связывается с взаимоотношением подземных вод и горных пород.

Подземные воды в процессе прохождения через горные породы растворяют легкорастворимые соединения, выщелачивают их из горных пород, минерализуются порой до очень высоких концентраций.

Минерализация выражается в граммах или миллиграммах сухого вещества на 1 литр воды. В. И. Вернадский разделяет все воды по степени минерализации на пресные (солей до 1 г/л), солоноватые (до 10 г/л), соленые (до 50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).

Среди пресных вод выделяются жесткие с сухим остатком 0,25—1,0 г/л и мягкие — менее 0,25 г/л. Жесткость подземных вод определяется наличием солей: Са (НС0₃)₂, Mg (НС0₃)₂, CaS0₄, MgS0₄, СаС1₂, MgCl₂.

По химическому составу выделяют воды: гидрокарбонатные (или углекислые) — НСО^-₃, сульфатные — SO^-₄, хлоридные — О^- и смешанные.