Тема 7. Гидрология подземных вод

Вода в недрах Земли находится в жидком, твердом и газооб­разном состоянии. Она или свободно циркулирует по трещинам и порам горных пород и почв, подчиняясь силе тяжести, или нахо­дится в физически и химически связанном состоянии с минераль­ными частицами почв, грунтов и горных пород.

Теории и гипотезы происхождения подземных вод

Вопрос о происхождении подземных вод издавна привлекал к себе внимание исследователей. Долгое время существовали две теории, отрицавшие одна другую:

- теория инфильтрации, в которой утверждалось, что скопление под­земной воды есть результат просачивания атмосферных осадков в почву и грунт,

- теория конденсации доказывающая, что источником происхождения подземных вод яв­ляется водяной пар атмосферы, который вместе с воздухом попа­дает в холодные слои земной коры и там конденсируется.

К настоящему времени можно считать установленным, что ос­новным видом питания подземных вод зоны активного водообмена является инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков. Часть подземных вод образуется путем конденсации и сорбции.

Единой точки зрения по вопросу формирования запасов под­земных вод в глубоких недрах земной коры в настоящее время нет. Различные взгляды отражены в трех основных гипотезах происхож­дения подземных вод:

1) Магматическое и метаморфическое. Воды возникают на больших глубинах из диссо­циированных ионов Н и О₂ или паров воды, поднимающихся из магматической или метаморфической зоны. Начало этим водам дают газовые магматические выделения или воды, которые входят в состав гидратных минера­лов. На земную поверхность эти воды могут выходить в виде ми­неральных источников с высокой температурой

2) Седиментационное. К таким водам относятся воды древних морей, лагун, озер, накапливающиеся в осадочных тол­щах в процессе осадконакопления на дне водоемов. Воды эти, по­гребенные последующими отложениями, сохраняются в глубоких закрытых пластах в течение длительного геологического времени

3) Поверхностное - атмосферное.

Классификация подземных вод по условиям их происхождения

В соответствии с изложенными выше теориями и гипотезами подземные воды подразделяются на следующие группы.

1. Вадозные воды, подразделяющиеся на инфильтрационные — воды, просачивающиеся сквозь зернистые породы; инфлюационные — воды, втекающие с поверхности по трещинам и пустотам горных пород; конденсационные — воды, обра­зующиеся из парообразной влаги воздуха, заключенного в подземных порах, трещинах и других пустотах. Вадозные воды — поверх­ностного (атмосферного) происхождения, представляют в процессе их подземного стока одно из звеньев общего круговорота воды.

2. Ювенильные — воды магматического и метаморфического происхождения.

3. Седиментационные воды.

Выделить воды «однородного» генезиса затруднительно. В ходе геологической истории в одной и той же геологической структуре возможна смена вод различного происхождения.

Виды воды в порах горных пород и почв

Горные породы и почвы содержат различные виды воды. Ее свойства и способы передвижения определяются сочетанием грави­тационных и молекулярных сил, действующих между частицами воды и породы. Условия залегания подземной воды, ее запасы и качество в значительной степени определяются водно-физическими свойствами горных пород.

Одними из главных свойств породы, определяющими ее отно­шение к воде, являются пористость и скважность.

Пористо­сть - наличие в породах малых пустот — капиллярных пор.

Скважность — наличие в породах более крупных, нека­пиллярных промежутков — скважин различного происхождения и формы.

Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Величина пористости р определяется отношением объема v_пор к объему породы в сухом состоянии V. Она выражается в процен­тах в виде:

р = v_пор/V *100% или в долях единицы.

Пористость рыхлых осадочных пород зависит от размера ча­стиц, их формы, степени отсортированности и характера располо­жения. Пористость более или менее однородных песков при диа­метре зерен около 1 мм составляет 30-35%, галечников с пес­ком 15-20%. С увеличением глинистости породы пористость ее увеличивается. Пористость глины 40-45% и более. Пористость песка меньше, чем суглинка, и значительно меньше, чем глины.

Пористость почв, главным образом суглинистых и глинистых, в значительной степени зависит от их структуры: структурных почв больше, чем бесструктурных. Пористость разных почв и разных горизонтов одной и той же почвы изменяется в широких пределах, примерно от 25 до 80%. В торфах и лесных подстилках она может превышать 90%, в перегнойных горизонтах минеральных почв раз­ных типов изменяется в пределах 50-60%. При оглеении почв структура их нарушается и вследствие этого пористость уменьша­ется до 25-30%.

Пористость почв и пород определяет важные водные свойства: водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность.

1. Водоудерживающая способность характеризуется влагоемкостью, т. е. тем количеством воды, которое удерживается в почвах и горных поро­дах при определенных условиях. Она выражается в % отноше­нием веса или объема воды, содержащейся в породах, соответст­венно или к весу сухой породы, или к ее объему. В зависимости от степени насыщенности почв и пород водой и тех сил (капил­лярных, адсорбционных), которые удерживают в них воду, влагоемкость подразделяется на несколько категорий. Наиболее часто употребляются следующие понятия:

- полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость, характеризуется наибольшим количеством влаги, которое может вмещать порода при полном заполнении всех пор;

- капиллярная влагоемкость (KB) — наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в по­роде. Это величина переменная, зависящая от высоты слоя, для которого она определяется, над уровнем свободной воды;

- наименьшая влагоемкость (НВ), или полевая влагоемкость, характеризуется количеством влаги, которое почва или грунт спо­собны удержать в подвешенном состоянии силами капиллярного и адсорбционного действия; соответствует ка­пиллярной подвешенной влаге.

Горные породы подразделяются на:

- сильновлагоемкие - торф, глина, суглинки;

- слабовлагоемкие - мер­гели, мел, рыхлые песчаники, глинистые мелкие пески, лёсс;

- невлагоемкие - крупнообломочные породы: галька, гравий, песок и массивные изверженные и осадочные породы.

Содержание воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени называется естествен­ной влажностью. Обычно естественную влажность выра­жают отношением (в %) веса воды к весу минеральной части породы:

где Р₁ и Р₂ — соответственно вес образца породы до и после высу­шивания.

Влажность почв часто выражают в миллиметрах слоя воды А, содержащейся в почве:

где  — удельный вес почвы; Н — мощность почвенного слоя в сантиметрах. Объем воды слоем 1 мм на площади 1 гектар составит 10 м³.

2. Водоотдача — способность породы, насыщенной водой, отда­вать путем свободного стенания то или иное количество воды. Ха­рактеризуется коэффициентом водоотдачи, т. е. отношением объема стекающей из насыщенной породы воды к объему всей породы, и выражается либо в долях от единицы, либо в процентах.

3. Водопроницаемость — способность породы пропускать че­рез себя воду.

Водопроницаемость и водоотдача зависят от по­ристости, от размера и формы пор породы. Чем больше диаметр пор, тем лучшей водопроницаемостью и большей водоотдачей об­ладают породы.

Водопроницаемость почв, помимо их природных свойств, за­висит также от степени их окультуренности.

На водопроницаемость почв оказывает влияние наличие в них защемленного воздуха. Изо­лированные скопления последнего в порах почвы сокращают жи­вое сечение пор, через которое может просачиваться вода. Водо­проницаемость почв не остается постоянной: сухая почва обладает большей водопроницаемостью, при насыщении почвы водой про­исходит набухание почвенных коллоидов, что приводит к сужению почвенных пор, разрушению структурных отдельностей и как следствие к уменьшению водопроницаемости.

По степени водопроницаемости породы подразделяются на (Рис. 1):

1. Водопроницаемые - грубозернистые или грубообломочные породы (галечник, гравий, песок) и массивные тре­щиноватые породы (мрамор, гранит, известняк).

2. Водонепроницаемые (водоупорные) - породы, которые через себя воду практиче­ски не пропускают или пропускают очень мед­ленно. Это плотные массивные монолитные породы (мрамор, гра­нит, базальт) или осадочные мелкозернистые породы (глины, гли­нистые сланцы). Их водопроницаемость в естественных условиях настолько мала, что ею можно пренебречь, а коэффициент водо­отдачи близок к нулю.

3. Полупро­ницаемые - глинистые пески, лёсс, торф, песчаники, порис­тые известняки, мергели и др.

При изучении водных свойств зернистых пород и почв необ­ходимо иметь представление о размере зерен. С этой целью про­изводят механический (гранулометрический) анализ пород. Сущность этого анализа заключается в разделении образца породы на порции (фракции определенных диаметров зерен) и в перечислении фракций в процентные отношения к весу всего образца. По данным механического анализа в неоднородной породе, состоящей из частиц различного диаметра, выделяют дей­ствующую (эффективную) величину зерен. Считается, что проса­чивание воды через фракции данного диаметра соответствует про­сачиванию воды в природной смеси данной пробы.

Рис. 1. Образование подземных вод

Виды воды в порах

Всю влагу в порах породы можно разделить на ряд катего­рий — видов, для которых в данный момент характерно передвиже­ние под преобладающим влиянием той или иной силы или сочета­ния сил. Категории эти несколько условны, так как разграничить их вполне четко невозможно (Рис. 2).

Приведем крат­кую характеристику различных форм подземной воды.

1. Химически связанная, или конституционная, вода — входит в молекулу вещества гидроксильной группой, например Fе₂О₃+ЗН₂О → 2Fе(ОН)₃. Удаление химически свя­занной воды при прокаливании сопровождается распадом мине­рала.

2. Кристаллизационная вода — является составной ча­стью многих минералов, например гипса (CaSO₄*2H₂O), и уда­ляется из породы нагреванием до 100-200°С или химическим путем.

3. Парообразная вода — находится в порах и пустотах пород и перемещается, как уже указывалось, главным образом под влия­нием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

4. Гигроскопическая вода — это вода, адсорбированная ча­стицами породы из воздуха. При относительной влажности воз­духа в порах, близкой к насыщению, влажность породы достигает некоторого состояния, называемого максимальной гигроскопично­стью. Гигроскопическая и максимально гигроскопическая вода прочно связана с частицами минерального грунта. Диполи ее строго ориентированы к поверхности минеральных частиц. Коли­чество слоев молекул адсорбированной воды при максимальной гигроскопичности, по данным различных исследователей, варьи­рует в широких пределах.

Максимальная гигроскопичность увеличивается с увеличением суммарной поверхности частиц породы в единице объема, вот по­чему она в мелкозернистых грунтах больше, чем в крупнозерни­стых.

Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев в другие путем перехода в парообразное состояние. Она может быть от­делена от породы только нагреванием. Это свойство резко отличает гигроскопическую воду от других видов воды в породах.

5. Пленочная вода — обволакивает частицы породы сверх мак­симальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями усваивается с трудом. Передвигается от частицы к частице под влиянием сорбционных сил.

6. Капиллярная вода — заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почво-грунтах под влиянием капиллярных (менисковых) сил из зоны большего увлаж­нения в зону меньшего увлажнения. Сила тяжести воды при этом (гидростатическое давление) играет под­чиненную роль, частично противодейст­вуя капиллярному подъему воды вверх и способствуя капиллярному передвижению вниз и по уклону. Различают капилляр­ную воду подпертую и подвешенную. В первом случае капилляры в нижней ча­сти соприкасаются с подземной водой. Во втором случае капиллярная вода нахо­дится в подвешенном состоянии и отде­лена от оформленного водоносного гори­зонта. Удерживается вода в капилляре равнодействующей силой менисков. Явле­ние удержания воды в подвешенном со­стоянии может быть длительным, при этом сколько-нибудь заметного передви­жения влаги вниз не наблюдается. Слои почво-грунтов, лежащие ниже, имеют меньшую влажность, чем те, в которых находится подвешенная вода. Явление это часто наблюдается в условиях нашего юга.

Этот слой назван мертвым горизонтом, или горизонтом иссушения. Мощность этого мертвого горизонта может достигать нескольких метров. Внизу он постепенно переходит в капиллярную кайму подземных вод.

Рис. 2. Схема различных состояний воды в почве

1 - частицы почвы с непол­ной гигроскопичностью; 2 - частицы почвы с макси­мальной гигроскопичностью; 3, 4 - частицы почвы с пле­ночной водой; 5 - частицы почвы с гравитационной во­дой.

7. Гравитационная, или свободная, вода — заполняет не­капиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести проса­чивается в породе сверху вниз в виде отдельных струй (при не­полном насыщении породы) или фильтруется в толще насыщен­ной водой породы в направлении падения уровня подземных вод. Гравитационная вода передает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в со­общающихся сосудах.

В твердом состоянии вода в породах встречается либо в составе мерзлых почв, либо в виде льда (пещерного, ископае­мого).

8. Внутриклеточная вода — содержится в неполностью раз­ложившихся остатках растений в почве. В большом количестве такая вода содержится в болотных почвах и особенно в торфах.

Различные формы воды в почвах и горных породах обычно присутствуют одновременно в многообразных сочетаниях в зави­симости от степени увлажненности, поступления и расходования влаги в тех или иных слоях земной коры. Значительная масса воды в почвах и горных породах находится в связанном состоянии. Связанная вода непосредственно не участвует в круговороте воды и не питает реки, озера, болота. Ее нельзя извлечь из почво-грунтов искусственным дренажем. Частично некоторые виды ее из верхних горизонтов используются растениями.

Условия залегания подземных вод в земной коре