Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 808
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
157 подвешенная вода не доходит до уровня подземных вод. Она доступна для растений, но в засушливые годы при длительном испарении может расходоваться почти до полного исчезновения. Капиллярно-поднятая вода располагается над уровнем первого от поверхности водоносного горизонта (грунтовых вод), где она образует так называемую капиллярную кайму. Мощность ее различна и зависит от состава горных пород; она минимальна в крупнообломочных породах (до 2 – 30 – 35 см), максимальна в суглинках и глинах (до первых метров). Количество воды в породе, соответствующее полному насыщению всех капиллярных пор, называют капиллярной влагоемкостью.
Рис. 65. Схема грунтовых вод и верховодки:
I – зона аэрации; II – зона насыщения. 1) почвенные и капиллярно-
подвешенные воды; 2) песчаные водопроницаемые породы; 3)
водопроницаемые породы; 4) грунтовые воды; 5) уровень и грунтовых
вод; 6) направление движения грунтовых вод; 7) капиллярно-поднятая
вода; 8) нисходящий источник; 9) уровень верховодки; 10) направление
инфильтрующихся вод
Гравитационная (свободная) вода образуется в породах при полном насыщении всех пор и трещин водой, что соответствует полной влагоемкости. В этих условиях вода движется под воздействием силы тяжести и напорного градиента в направлении к рекам, морям и другим областям разгрузки (см. рис. 65). К гравитационной воде относят также инфильтрационную воду зоны аэрации, появляющуюся периодически во время снеготаяния, после выпадения дождей и идущую на пополнение подземных вод.
Вода в твердом состоянии находится в горных породах или в виде отдельных кристаллов, или в виде линз и прослоев чистого льда. Она образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, но особенно широко развита в областях распространения многолетнемерзлых горных пород (в Сибири, Канаде и других районах).
158
Кристаллизационная вода свойственна ряду минералов, где она входит в их кристаллическую решетку. Из таких минералов можно назвать мирабилит Na
2
SO
4 10H
2
O с содержанием кристаллизационной воды до 55,9%, бишофит MgCl
2 6Н
2
О – до 53,2%, гипс CaSO
4 2Н
2
O – до
20,9% и др. Кристаллизационная вода в ряде случаев может быть выделена при высоких температурах. При этом в процессе нагревания могут образовываться промежуточные соединения с меньшим содержанием воды, что видно из рассмотрения превращения гипса в ангидрит:
CaSO
4 2H
2
O → CaSO
4
H
2
O (T – 107 o
C) → CaSO
4
(T – 170 o
C).
Вопрос 2. Происхождение подземных вод.
По условиям образования выделяется несколько типов подземных вод:
1) инфильтрационные;
2) конденсационные;
3) седиментогенные;
4) магматогенные, или ювенильные;
5) метаморфогенные, или возрожденные.
Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.
Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.
Седиментогенные подземные воды (лат. «седиментум» – осадок) – 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. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми
159 отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. «эпи» – на, после). Седиментогенные воды нередко называют «погребенными», или реликтовыми (лат. «реликтуc» – остаточный). Ряд исследователей (Н. Б.
Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. «элизио» – выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.
Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными (лат.
«ювенилис» – юный). Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой – из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7 – 10% воды. 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.
К тому же они поступают на поверхность уже в смешанном виде, так как на своем пути пересекают различные горизонты подземных вод иного генезиса.
Метаморфогенные подземные воды
(возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения.
Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод.
Из рассмотренных генетических типов воды наиболее важное значение имеют инфильтрационные воды и в какой-то мере седиментогенные. Остальные разновидности представляют собой в большинстве случаев смешанные воды, доля которых в общем балансе подземных вод, по-видимому, невелика.
Вопрос 3. Классификация подземных вод.
В современной гидрогеологической литературе имеется несколько классификаций подземных вод. Многие исследователи в качестве основного признака используют принадлежность разных видов подземных вод к конкретным зонам:
1) зоне аэрации;
2) зоне насыщения.
160
В зоне аэрации можно выделить почвенные воды и верховодку.
Почвенные воды распространены в почвенном слое близ поверхности Земли. Их формирование связано с процессами инфильтрации атмосферных осадков, снеготалых вод и конденсации атмосферной влаги. Вид и состояние почвенных вод определяют три основных фактора: общая увлажненность почвы, мощность зоны аэрации и структурно-текстурные особенности почвы. На участках, где мощность зоны аэрации большая, а грунтовые воды находятся глубоко, в почвенном слое при растущем увлажнении образуются подвешенные капиллярные воды, заполняющие межзерновые пространства пород. Толщина такого слоя капиллярно-подвешенных вод составляет обычно десятки сантиметров. В случае неглубокого залегания грунтовых вод возможно питание почв снизу за счет капиллярно-поднятой воды.
Верховодка образуется в зоне аэрации, когда инфильтрующаяся вода встречает на своем пути линзы водонепроницаемых пород. Это могут быть линзы глин среди песчаных отложений речных террас или суглинков в водопроницаемых водно-ледниковых отложениях и др.
Подземные воды верховодки обычно образуются на сравнительно небольшой глубине и имеют ограниченное по площади распространение
(см. рис. 65). Мощность пород, насыщенных верховодкой, чаще всего бывает до 1 м, редко достигает 2 – 5 м. Наибольшая мощность отмечается весной, в период интенсивного снеготаяния, и осенью при обильном выпадении атмосферных осадков. В засушливые годы мощность и количество воды верховодки уменьшаются, а иногда она совсем иссякает.
Продолжительность существования верховодки зависит также от размеров и мощности водоупорного ложа, влагоемкости пород и условий питания. Чем больше размеры и мощность водоупорной линзы и интенсивность питания, тем больше сроки существования верховодки.
В зоне насыщения выделяют воды:
1) грунтовые;
2) межпластовые безнапорные;
3) межпластовые напорные, или артезианские.
Вопрос 4. Грунтовые воды и их режим.
Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод (см. рис. 64).
Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изменяется в пространстве и во
161 времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов.
По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.
Рис. 66. Схема залегания и движения грунтовых вод в междуречном
массиве и их режим:
1) зона аэрации; 2) зона периодического насыщения; 3) зона
постоянного насыщения; 4) водоупорное ложе; 5) зеркало грунтовых
вод; 6) пойма; 7) коренное ложе долины; 8) источник
Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам.
Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков
(начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам
(оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки, или дренирования (франц. «дренаж» – сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной (рис. 66). Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород.
Движение грунтовых вод через относительно мелкие поры и неширокие трещины происходит в виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному
162 закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости
(коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J:
V=KJ,
где
J=h (разница высот) /е (пройденное расстояние).
Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1 – 5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах.
Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F):
Q = KJF, или Q = VF.
Режим грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения
(см. рис. 66). Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. «дебит» – расход) источников, а иногда и химический состав. В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами.
Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод (рис.67).
163
Рис. 67. Различные случаи соотношения речных и грунтовых вод:
а) уровень грунтового потока наклонен к реке; б) уровень грунтового
потока наклонен от реки; 1) водопроницаемая порода; 2)
водонепроницаемая порода; 3) уровень подземных вод
В этом случае реки выступают в качестве временного дополнительного источника питания подземных вод, в результате происходит сокращение или полное прекращение разгрузки грунтовых вод в бортах долины реки. После спада паводка уровень грунтовых вод, стремясь к равновесию, постепенно снижается и приобретает свой обычный уклон к реке. В районах с аридным климатом, где количество атмосферных осадков очень мало, уровень грунтовых вод нередко понижается от реки. В этих условиях происходит инфильтрация воды из рек, пополняющая подземные воды. Такая инфильтрация имеет место из рек Амударьи и Сырдарьи при пересечении ими степных районов. В аридных областях могут формироваться линзы пресных вод под такырами и вблизи каналов.
При изучении режима грунтовых вод важно знать:
1) Высотное положение их уровня и уменьшение его во времени и по площади.
2) Дебит источников.
3) Количество выпадающих атмосферных осадков.
4) Изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды. Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях.
По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. «изос» – равный, «гипсос»
– высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Как видно из данных рис. 68, А, при пересечении хорошо
164 водопроницаемых галечников уровень грунтовых вод выполаживается, что отражено и на карте гидроизогипс (Б). Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади.
Рис. 68. Изменение положения уровня грунтовых вод при изменении
филтрационных свойств пород:
а) разрез; б) схема гидроизогипса; 1) уровень подземных вод; 2)
водопроницаемая порода; 3) галечники; 4) водонепроницаемая порода; 5)
направление движения подземных вод
Межпластовые ненапорные воды. Эти безнапорные воды располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами. Обычно они встречаются на приподнятых междуречных массивах в условиях расчлененного рельефа
(местной гидрографической сети) и выходят в виде нисходящих источников в береговых склонах оврагов, рек и других поверхностных водоемов (см. рис. 71).
165
Вопрос 5. Напорные подземные воды.
Рис. 69. Схема артезианского бассейна при мульдообразном залегании
пород:
а) область питания; б) область напора; в) область разгрузки; 1)
водоносный горизонт; 2) водоупорные породы; 3) пьезометрический
уровень напорных вод
К напорным (артезианским) водам относятся подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах, перекрытых и подстилаемых водоупорными (или относительно водоупорными) слоями горных пород, и обладающие гидростатическим напором. Они располагаются на больших пространствах и глубинах вне сферы воздействия местных дрен
(рек, оврагов и др.). Артезианские межпластовые напорные воды названы по месту их первоначального нахождения в XII в. во французской провинции Артуа (древнее название Артезия). Водоносные горизонты, содержащие напорные межпластовые воды, связаны с различными, главным образом отрицательными, структурами земной коры: синеклизами, мульдами, предгорными и межгорными прогибами и моноклиналями (греч. «моно» – один, «клино» – склоняю). По условиям залегания пород, содержащих артезианские воды, выделяются артезианские бассейны и артезианские склоны.
Под артезианскими бассейнами понимают совокупность артезианских водоносных горизонтов, залегающих в синеклизах и других прогибах. В каждом артезианском бассейне (рис. 69) выделяются: а) Область питания – площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, располагающихся на наивысших гипсометрических отметках. б) Область разгрузки – места выхода на поверхность водоносного горизонта на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Такая разгрузка может осуществляться в виде восходящих источников, местами же в виде скрытых очагов разгрузки в рыхлые отложения под руслами рек или на дне моря (субмаринные источники).
166 в) Область напора – основная площадь распространения артезианских вод, расположенная между областями питания и разгрузки.
В области напора уровень напорных вод всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до этого уровня и называется напором. Если на разрезе соединить линией отметки уровней воды в областях питания и разгрузки, то эта линия примерно покажет, до какой высоты поднимется напорная вода при вскрытии ее колодцами или буровыми скважинами.
Уровень напорных вод называют пьезометрическим (греч. «пьезо» – давлю) и всегда выражается в абсолютных отметках, а величина напора – в метрах. Пьезометрическая поверхность напорного водоносного горизонта изображается обычно на специальных картах гидроизопьез.
Гидроизопьезы (иногда их называют изопьезы, или пьезо- изогипсы) – линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.
Размеры многих артезианских бассейнов, приуроченных прогибам и впадинам, колеблются от сотен квадратных километров до сотен тысяч квадратных километров. Такие бассейны содержат значительные запасы воды хорошего качества и широко используются для промышленного и питьевого водоснабжения. Особенно большие площади занимают артезианские бассейны платформенных областей. К таким крупным артезианским бассейнам относятся Московский, Днепровско-Донецкий
(Северо-Украинский), Западно-Сибирский, Парижский и др. В разрезе каждого артезианского бассейна выделяется несколько напорных водоносных горизонтов (рис. 70) с общей мощностью водовмещающих пород, превышающей сотни, а иногда и тысячи метров. Артезианские бассейны межгорных впадин чаще всего не превышают 100 тыс. км
2
Питание их, помимо инфильтрации атмосферных осадков, идет за счет поглощения поверхностных вод, стекающих с горных сооружений, и перетока подземных вод из пород горноскладчатого обрамления.
Рис. 70. Тип артезианского бассейна с верхним (I) и нижним (II)
водоносными горизонтами:
1) водоносная порода; 2) водоупорные породы; 3) пьезометрический
уровень