Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf

167
Своеобразный асимметрический артезианский бассейн формируется местами при моноклинальном (односклонном) залегании водоносного горизонта, когда водопроницаемые породы выклиниваются по мере погружения или же фациально замещаются водонепроницаемыми породами. Такой бассейн назван А. М.
Овчинниковым артезианским склоном. В этих случаях создаются специфические гидродинамические условия. Области питания и разгрузки располагаются поблизости одна от другой, а область распространения напора находится в стороне на более низких отметках.
Такие бассейны встречаются в краевых частях предгорных прогибов и на склонах впадин на платформах.
Режим артезианских вод по сравнению с режимом грунтовых является более стабильным; пьезометрический уровень мало подвержен сезонным колебаниям; хорошая изолированность от природных и искусственных воздействий с поверхности Земли обеспечивает чистоту воды напорных водоносных горизонтов.
Рис. 71. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины
(по П. П. Климентову):
1) песок; 2) песок водоносный; 3) супеси; 4) глины; 5) известняки; 6)
уровень верховодки; 7) уровень грунтовых вод; 8) уровень
межпластовых не напорных вод; 9) уровень артезианских вод; 10)
источники нисходящие; 11) направление движения безнапорных вод; 12)
разгрузка артезианских вод; 13) восходящий источник

168
Разгрузка (дренаж) различных типов подземных вод изображена на рис. 71. Как видно, нисходящие источники связаны с подземными водами со свободной поверхностью – верховодками, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. Источники, связанные с верховодкой, функционируют лишь ограниченное время года, периодически иссякают, появляясь после выпадения и инфильтрации атмосферных осадков и талых вод. Подавляющее большинство нисходящих источников грунтовых вод связано с эрозионными врезами долин. Такие источники чаще всего располагаются в основании склонов долины или на ее дне и называются эрозионными источниками. В случае фильтрационной неоднородности пород, слагающих склоны оврагов, рек, озер, вода может стекать по контакту водоупорного и водоносного пластов. Такие источники называют контактными. При ярусном строении разреза склона иногда выходят несколько нисходящих контактных источников, соответствующих подошвам водоносных горизонтов. В большинстве случаев источники представляют собой разобщенные
(очаговые, точечные) выходы подземных вод. Местами же обнаруживаются протяженные линии выхода вод контактного типа.
Дебит нисходящих источников грунтовых вод непостоянен во времени и испытывает сезонные изменения. В сухие годы и месяцы их дебит уменьшается, во влажные – увеличивается. Соответственно изменяются уровни грунтовых вод. Наиболее всего распространены малодебитные
(до 1 л/с) и среднедебитные (1 – 10 л/с) источники. Высокодебитные (> 10 л/с) источники обычно приурочены к песчано-гравийно-галечным отложениям и к сильно трещиноватым и закарстованным известнякам. В некоторых карстовых районах выходят особо высокодебитные источники
(100 и более л/с), местами дающие начало речкам.
Восходящие источники обязаны своим происхождением гидростатическому напору, характерному для артезианских бассейнов и склонов. Их выходы в виде бьющих вверх струй приурочены к основным краевым областям разгрузки артезианских бассейнов и нередко связаны с зонами тектонических разрывов и других нарушений. Это могут быть эрозионные источники напорных вод (см. рис. 71) или источники, пробивающиеся через относительно слабо проницаемые отложения, перекрывающие водоносный горизонт, или восходящие по линии сброса, и др. Во многих акваториях Земли зафиксированы восходящие субмаринные источники подземных вод. Такие мощные восходящие струи издавна известны на дне Средиземного моря и других внутренних морей, где они встречаются на различных глубинах в области шельфа, а местами и континентального склона, а также во многих районах
Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

169
Вопрос 6. Общая минерализация и химический состав
подземных вод.
Общую минерализацию подземных вод составляет сумма растворенных в них веществ. Она обычно выражается в г/л или мг/л.
Формирование химического состава и общей минерализации подземных вод связано с двумя основными факторами:
1) условиями их происхождения;
2) взаимодействием с горными породами, по которым движется подземная вода, и условиями водообмена.
В ряде случаев происходит процесс выщелачивания растворимых горных пород и соответственное обогащение подземных вод теми или иными минеральными солями. В глубинных водах (в погруженных частях структур) в условиях затрудненного водообмена происходят наибольшая концентрация растворенных веществ и значительное увеличение общей минерализации.
К настоящему времени опубликовано много классификаций подземных вод по их минерализации и химическому составу. В классификации В. И. Вернадского, О. А. Алексина и других выделяются четыре группы подземных вод:
1) пресные – с общей минерализацией до 1 г/л;
2) солоноватые – от 1 до 10 г/л;
3) соленые – от 10 до 50 г/л;
4) рассолы – свыше 50 г/л.
Основной химический состав подземных вод определяется содержанием наиболее распространенных трех анионов – НСО
3
-
, S0 4
2-
, Сl
- и трех катионов – Са
2+
, Mg
2+
, Na
+
. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод – щелочность, соленость и жесткость (рис. 72). По анионам выделяют три типа воды:
1) гидрокарбонатные;
2) сульфатные;
3) хлоридные и ряд промежуточных – гидрокарбонатно- сульфатные, сульфатно-хлоридные, хлоридно-сульфатные и более сложного состава. По соотношению с катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциево-магниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Так, например, пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево- магниевые, а солоноватые – могут быть сульфатно-кальциево- магниевыми.

170
Рис. 72. Сочетание различных элементов, обусловливающих свойства
вод
В артезианских бассейнах наблюдается определенная вертикальная гидрогеохимическая зональность, связанная с различными гидродинамическими особенностями:
1) Верхняя зона – интенсивного водообмена.
2) Средняя – замедленного водообмена.
3) Самая нижняя (наиболее глубокая) – весьма замедленного водообмена. Впервые на гидрогеохимическую зональность и увеличение минерализации подземных вод, и снижение их подвижности с глубиной указал В. И. Вернадский. По Е. В. Посохову (1975), верхняя часть артезианских бассейнов платформ имеет относительно небольшую мощность.
Так, например, в Московском артезианском бассейне пресные воды встречаются до глубин 200 – 300 м, в Днепровско-Донецком – до 500 м.
Ниже располагается относительно маломощная гидрогеохимическая зона солоноватых и слабосоленых вод многокомпонентного состава, в которых большая роль принадлежит иону SO
4 2-
. Примером тому являются сульфатные кальциево-натриевые воды с минерализацией до 4,5 г/л, вскрытые буровыми скважинами в девонских отложениях Московского артезианского бассейна (на глубинах 400 – 600 м) и используемые в качестве лечебной «Московской минеральной воды». В более глубокой третьей гидрогеохимической зоне преобладают хлоридные воды с минерализацией 250 – 350 г/л и более (в Ангаро-Ленском бассейне около
600 г/л).

171
По мере значительного увеличения минерализации с глубиной в хлоридно-натриевых рассолах наблюдается рост содержания иона Са
2+
и в наиболее погруженных частях бассейна встречаются хлоридно- кальциевые или хлоридно-кальциево-магниево-натриевые рассолы, что имеет большое значение для нефтяной гидрогеологии. В глубоких водоносных горизонтах с высокой минерализацией, помимо основных анионов и катионов, нередко содержатся йод, бром, бор, стронций, литий, радиоактивные элементы. Особенно большое количество йода, брома и бора встречается в хлоридно-кальциевых водах нефтяных и газовых месторождений, где они местами извлекаются в промышленных количествах.
Указанная гидрогеохимическая зональность характерна для ряда артезианских бассейнов. Вместе с тем в некоторых бассейнах (Западно-
Сибирском, Брестском и др.) сульфатная зона отсутствует, и пресные гидрокарбонатные воды верхней зоны постепенно сменяются хлоридными. По-видимому, та или иная гидрогеохимическая зональность артезианских бассейнов определяется рядом природных факторов: историей развития геологической структуры; условиями водообмена; составом и степенью растворимости водоносных горных пород; соотношением давления и температуры; газовыми компонентами.
Именно взаимодействие различных природных факторов и определяет изменение минерализации и состава подземных вод в артезианских бассейнах.
Отмечается также широтная зональность грунтовых вод, связанная с изменениями климатических условий и степени расчлененности рельефа при движении с севера на юг. Г. Н. Каменский, исходя из указанных факторов и особенностей формирования грунтовых вод и их химического состава, выделил на территории бывшего СССР две зоны.
1. Зона вод выщелачивания (и выноса солей), приуроченная к гумидным областям (областям избыточного увлажнения) с невысокими положительными среднегодовыми температурами. Грунтовые воды выщелачивания формируются в условиях преобладания подземного стока над испарением. По мере движения с севера на юг изменяются глубина залегания грунтовых вод и их минерализация от очень пресных (больше
0,2 г/л) к пресным (до 1 г/л) и солоноватым (больше 1 г/л) в более южных районах.
2. Зона вод континентального засоления, приуроченная к аридным
(засушливым) областям (сухие степи, полупустыни и пустыни), где выпадает малое количество атмосферных осадков, сравнительно высокие температуры и испаряемость. Следовательно, в этой зоне низка величина инфильтрационного питания грунтовых вод по сравнению с высокой испаряемостью, что определяет и низкую величину подземного стока.

172
В этой зоне развиты преимущественно солоноватые и соленые воды, доходящие местами до рассолов. Аналогичная классификация приводится И. К. Зайцевым и М. П. Распоповым, где, помимо широтной зональности грунтовых вод в пределах равнинных территорий, отмечается высотная зональность воды горных областей (рис. 72).
Вопрос 7. Минеральные воды.
Минеральными называются подземные воды, обладающие биологически активными свойствами, оказывающими физиологическое воздействие на организм человека, и используемые в лечебных целях.
Воды могут быть различны по температуре, минерализации и содержанию целебных химических компонентов. Их принято делить на холодные при температуре до 20 o
С, теплые, или субтермальные, при 20
– 37 o
С, термальные при 37 – 42 o
С, горячие, или гипертермальные, выше
42
o
С. По составу, свойствам и лечебному значению различают несколько групп минеральных вод. Из них наиболее известны и широко используются углекислые, сероводородные и радиоактивные воды.
Углекислые минеральные воды, постоянно газирующие углекислотой:
1) Пресные или солоноватые холодные углекислые воды, распространенные на курортах Кисловодска (нарзаны), Дарасун,
Шмаковка и др.
2) Горячие углекислые воды (Т – 37 – 40 o
С, местами 70 o
С и выше) типа Славянской (Железноводск), Карловы Вары (Чехия), Истису
(Азербайджан), Джермук (Армения) и др. Отмечается, что многие наиболее крупные источники углекислых вод тяготеют к районам, где развиты молодые интрузивные магматические тела. Исходя из этого высказывается предположение, что большое количество СО
2 образуется в контактных зонах интрузивов и карбонатных пород с метаморфизацией последних при высоких температурах.
Сероводородные, или сульфидные, минеральные воды, лечебные свойства которых определяются содержанием в них свободного сероводорода. По концентрации сероводорода они подразделяются на воды слабой концентрации (10 – 50 мг/л), средней (50 – 100 мг/л) и крепкой (100 – 250 мг/л). Среди них по условиям формирования различаются азотные, сероводородные, метановые воды (А. М.
Овчинников, В. В. Иванов, И. К. Зайцев, Н. И. Толстихин и др.). Азотные формируются в условиях сочетания торфяных отложений и неглубоко залегающих гипсоносных пород, из которых поступают сульфатно- кальциевые воды. В торфяниках происходит процесс восстановления сульфатов и образование сероводорода. К этому типу относятся сероводородные воды курортов Кемери (Латвия), Краинка (Тульская обл.) и Хилово (Псковская обл.). Метановые сероводородные воды

173 формируются в восстановительной обстановке в глубоких частях артезианских бассейнов, будучи связаны с битуминозными и нефтеносными отложениями. В сравнении с азотными метановые воды отличаются значительно большим содержанием сероводорода. Такие сульфидные воды имеют наибольшее распространение. К ним относятся воды Мацесты (Сочинский бассейн), Талги (Дагестан), Усть-Качки
(Приуралье) и многие другие. В районах современной вулканической деятельности (Курильские острова, Камчатка и др.) и молодых магматических интрузий (Пятигорск, Ессентуки) развиты углекислые сероводородные воды.
Радиоактивные минеральные воды отличаются повышенным содержанием радиоактивных элементов. Для лечебных целей широко используются радоновые воды на известных курортах Цхалтубо (Грузия),
Белокуриха (Алтайский край) и др. Среди них выделяются: а) холодные радоновые воды в корах выветривания б) термальные радоновые воды, приуроченные к тектоническим трещинам в относительно неглубоко залегающих гранитных интрузивных телах.
К особой категории относятся месторождения гипертермальных вод (до 100 o
С и выше) в районах современного вулканизма (Камчатка,
Курильские и Японские острова, Новая Зеландия и др.). На базе таких месторождений работают геотермальные электростанции, организуется теплоснабжение населенных пунктов и парниково-тепличных хозяйств.
Примером первых является Паужетская геотермальная электростанция на
Камчатке, построенная в 1965 г. на базе Паужетских гидротермальных источников с температурой 150 – 200 o
С. Энергетические установки, использующие геотермальную энергию, имеются в США, Мексике,
Японии, Италии и других странах.
В заключение следует отметить, что подземные воды занимают исключительно важное место в природе и жизни человека, и поэтому не случайно ЮНЕСКО считает одной из важнейших проблем для жизни людей планеты обеспечение населения, промышленности и сельского хозяйства пресной подземной водой, охрану ее и рациональное использование.

174