Все воды, обнаруженные в порах и трещинах горных пород под поверхностью земли, являются грунтовыми водами. Часть этой воды свободно перемещается в верхней части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень мелких порах, сдерживаемых силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут существовать без обмена с поверхностными водами и активно участвуют в круговороте воды в природе. Все, что касается оболочки подземных вод, включая теоретические и, прежде всего, прикладные аспекты, изучается наукой гидрогеологии. В наше время, в условиях постоянно возрастающей технологической нагрузки на природную среду, пресная вода стала важнейшим минералом.
Структура и свойства воды определяется строением ее молекулы – Н 2 О в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер тетраэдра находятся два положительных заряда ядер атомов водорода, составляющих гидроль или элементарную дополнительную структурную единицу воды. Гидроли могут объединяться между собой. Итак, для льда тетраэдр, состоящий из гидролов, будет устойчивой структурой. Гексагональная решетка льда, состоящая из связанных между собой тетраэдров очень рыхлая, поэтому увеличение температуры приводит к нарушению и так непрочных связей решетки и некоторые гидроли как бы «падают» внутрь решетки, которая разрушается на отдельные массивы и, наконец, превращается в пресную воду, обладающую наибольшей плотностью при Т= +4°С.
1. Виды воды в горных породах
Вода в горных породах содержится в нескольких различных видах.
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).
Если эти минералы нагреваются, из кристаллической решетки выделяется вода. Таким образом, гипс потеряет одну молекулу воды при + 107 °, а вторую при + 170 ° С, после чего превратится в ангидрит — CaSO4.
2. Твердая вода находится в вечной мерзлоте в виде ледяных кристаллов и полос. Лед также образуется во время сезонного замерзания воды, содержащейся в скалах.
3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах породы.
4. Сильно связанная вода находится в виде прерывистой молекулярной пленки на поверхности мельчайших частиц горных пород, таких как глины и глины. Эта пленка удерживается молекулярными силами сцепления и не может стекать с поверхности частицы.
Вода как важнейший стратегический ресурс во внешней политике Ирана
... на большей части территории Ирана. Около трети территории составляют пустыни, сухие озера и солончаки без воды и растительности, треть территории Ирана покрыта горными ... ирригационных и сельскохозяйственных объектов, находящихся в стадии строительства или ... запасов пресной воды сосредоточено на полюсах нашей планеты в виде льда, то ... зонах и некоторых других районах ее выпадает больше, в некоторых – ...
5. Слабо связанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частицах породы. Эта вода имеет способность превращаться из более толстой в более тонкую пленку.
6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя.
7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных (лат. капилярис – волосяной) 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 водоносного горизонта может быть еще одна узкая граница воды, взвешенной капиллярностью, сохраняющейся в мелких порах почвы и в горизонтах подпочвы глин и глин.
Подземные воды распределены в верхней части земной коры вполне естественно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже находится зона полного насыщения, где вода распределяется в основном в жидком виде, а в зоне аэрации она также может быть парообразной. Если температура отрицательная, вода в этих двух областях может присутствовать в виде льда.
Таким образом, зона аэрации подобна переходному буферу между атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены жидкой капельной водой, и таким образом образуется водоносный горизонт.
Однако породы водопроницаемы в разной степени в зависимости от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость не одно и тоже.
Горные породы подразделяются на:
1. Водопроницаемые – песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др. и это несмотря на то, что галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20%. Пески обладают пористостью в 30-35%.
2. К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лёссы.
3. Водоупорными считаются всевозможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы (табл.1).
Таблица 1
Прочность и проницаемость горных пород
| Горные породы | Пористость % | Проницаемость |
| Гравий и галечник
Песок Глина Морская морена Конгломераты Песчаники Известняки Вулканические породы Граниты монолитные Граниты трещинноватые |
25-40
30-50 35-80 10-20 10-30 20-30 0-50 0-50 0-5 5-10 |
Очень хорошая
Хорошая Очень плохая Очень плохая Средняя Хорошая Средняя Плохая-отличная Очень плохая Плохая |
Глины имеют пористость в 50-60%. Все дело в том, что поры в глинах очень тонкие (субкапиллярные) и вода через них не может проникнуть, т.к. задерживается силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость зависит не от количества пор, а от размера и формы зерен, составляющих породу, и от плотности их добавления.
Сама способность горных пород накапливать и удерживать воду называется влагоемкостью. Под полной влагоемкостью понимается состояние породы, при котором все поры заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость — это количество воды, которое остается в породе после слива всей гравитационной жидко-капельной воды. Оставшаяся вода удерживается в порах за счет молекулярной когезии и поверхностного натяжения. Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельной водоотдачей – количество воды, получаемой из 1 м 3 горной породы.
Подземные воды можно классифицировать по разным критериям: по условиям возникновения, происхождению, химическому составу.
Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяют свободно текущие воды, делятся на верховодочные, подземные и межпластовые, а также напорные или артезианские.
Верховодка — это временное скопление воды в приповерхностном слое в пределах зоны аэрации, расположенное в водоносных горизонтах, которые лежат на линзовидном слое, заклинивая водоупорный слой. Как правило, водичка появляется весной, при таянии снега или в сезон дождей, но затем может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.
Временные водоносные горизонты могут представлять собой все линзовидные слои тяжелых глин и глин, заклиниваемые в аллювиальных или флювиогляциальных отложениях водоносного слоя.
Подземные воды — это первый постоянный водоносный горизонт сверху, расположенный на первом расширенном водонепроницаемом слое. Подземные воды питаются из водосбора в пределах водоносного горизонта. Подземные воды могут быть связаны с любой породой, как рыхлой, так и твердой, но трещиноватой.
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. Граница воды, нарисованная капиллярностью, образуется над уровнем грунтовых вод.
2. 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 (фр. дренаж – сток).
Естественно, что вода водоносного горизонта под действием силы тяжести находится в постоянном движении и стремится достичь самой низкой точки рельефа, например, берега реки, долины дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном горизонте движется в соответствии с пористостью пород, характером контакта с частицами, формой и размером пор, уклоном водоносного горизонта. 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 (фр. дебит – расход) источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Уровень грунтовых вод может быть особенно низким по сравнению с забором воды для промышленных целей. Вокруг колодцев, перекачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка.
Свободнопроточные межструнные грунтовые воды приурочены к водоносным горизонтам, расположенным между двумя водонепроницаемыми слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт толстый и над его поверхностью есть озеро, пруд или река, направление потока воды в водоносном горизонте будет следовать 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.
Напорный или гидравлический градиент:
I = h / l
Где h — превышение одной точки уровня грунтовых вод над другой, а l — расстояние между ними. Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.
Впервые такие фонтаны были получены во Франции в провинции Артезия, затем их стали называть артезианскими. Каждая артезианская цистерна включает в себя зоны: подача, напорная и сливная. Первая зона — это выход на поверхность водоносного горизонта, на который падают все атмосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Зона давления заключена между двумя водами — непроницаемой кровлей и непроницаемым дном, и там, где водоносный горизонт выходит на поверхность или пронизан скважинами, но ниже зоны подпитки, это называется зоной 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.
На шельфовых участках, где артезианские бассейны большие, водоносные горизонты выше глубин 200-5 м содержат в основном пресную воду, а ниже воды уже имеют высокую минерализацию.
В центре европейской части России находится Московский артезианский бассейн, расположенный в пологой чашеобразной впадине — Московском синеклизе. Водоносные горизонты связаны с трещиноватыми известняками карбона и девона, а промежуточные слои глины служат водоупорным слоем. 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. Составлены карты распределения артезианских бассейнов на всю территорию России и рассчитаны запасы воды в них, как пресной, так и промышленной и термальной.
Нисходящие источники чаще всего располагаются у кромки воды в долине реки, у подножия склонов оврагов, там, где к поверхности выходят непроницаемые горизонты. Источники этого типа связаны как с верхними, так и с подземными водами, а также с межпластовыми водами. Все они характеризуются переменным расходом, вплоть до высыхания жарким летом. В нисходящих источниках вода течет спокойно, учитывая уменьшенный угол наклона пластов. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно богаты водой, поэтому в некоторых местах они дают начало ручьям и небольшим речкам, как это происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер.
Восходящие источники представляют собой выходы на поверхность в точках выхода замкнутых вод, а 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(HCO 3 )2 переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 – углекислого газа. Травертины часто содержат следы листьев растений, костей древних животных, которые постепенно окутываются известковым туфом.
3. Подземные воды и окружающая среда
Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека – водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т.д. именно в области прикладной геологии очень важно понимать сущность технико-природного взаимодействия, усиления техногенного давления на геологическую среду.
Одной из важных задач прикладной геологии является валидация водозаборов для питьевого и хозяйственного водоснабжения и, теперь, в частности, оценка качества воды. Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстр она сформируется? Какова должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ.
В связи с забором воды из водоносных горизонтов разного типа меняется водный режим ландшафтов, изменение растительности, поверхностный сток и напряженно-деформационное состояние водонасыщенных пород. Понижение уровня грунтовых вод приводит к угнетению лесов, высыханию и выжиганию торфяных болот в летний период, уменьшению стока поверхностных вод и глубины малых рек, эвтрофикации мелководных озер и оседанию водоемов некоторые участки земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния водоотбора на окружающую среду, а также геофильстрационное моделирование потока подземных вод.
Для многих городов характерно подтопление территорий, т.е. повышение уровня грунтовых вод за счет повышенной инфильтрации осадков, утечек промышленных вод, искусственного орошения. Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), уменьшение прочностных свойств грунтов. Поэтому необходимо проводить дренаж, чтобы снизить уровень грунтовых вод.
Другая опасность – это техногенное загрязнение подземных вод из атмосферы в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и другие способствуют проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты.
Все это свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения по отношению к нарастающему техногенному загрязнению. Есть еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о действительно жизненном значении, которое приобретает наука о грунтовых водах.
Библиография
[Электронный ресурс]//URL: https://management.econlib.ru/referat/geologicheskaya-deyatelnost-podzemnyih-vod/
1. Киссин И.Г. Вода под землей. М., Наука, 1976.
2. Короновский Н.В. Общая геология. Издательство Московского университета, 2002.
3. Плотников Н.И. Подземные воды – наше богатство. М., Недра, 1976.
4. Пиннекер Е.В. Подземная гидросфера. Наука. Сиб. Отд., Новосибирск, 1984.
5. Разумов Г.А. Подземная вода. М., Наука, 1975.
