2020-04-07
1953Происхождение подземных вод
По своему происхождению подземные воды бывают: инфильтрационные; конденсационные; седиментогенные; магматогенные, или ювенильные; метаморфогенные, или возрожденные.
Инфильтрационные подземные воды возникают из вод атмосферного происхождения, которые тем или иным путем просачиваются на глубину. Ими являются дождевые или талые атмосферные осадки. Доказательством атмосферного происхождения инфильтрационных вод является повышение уровня воды в колодцах при обильном выпадении атмосферных осадков или при быстром таянии мощного снежного покрова и понижение этого уровня в засушливые годы. В отдельных случаях инфильтрационные воды питаются фильтрующими водами из рек, озер, водохранилищ и каналов.
Конденсационные подземные воды возникают в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах. Очень часто процесс конденсации происходит в тех климатических зонах, где мало выпадает атмосферных осадков, а испаряемость велика, например в пустынях. В результате конденсации в пустынях под песчаными толщами на водоупорных горизонтах возникают линзы пресных вод, которые нередко располагаются над солеными грунтовыми водами.
Седиментогенные подземные воды (от лат. «седиментум» — осадок) имеют морское происхождение и вследствие этого они представляют собой высокоминерализованные (соленые) подземные воды, залегающие в глубоких слоях толщ осадочных пород. Такие воды возникли в результате захоронения насыщенных водой морских осадков и их преобразования в ходе диагенеза, т. е. преобразования осадка в горную породу. Это сингенетические воды, т. е. возникшие одновременно с осадочными слоями. Однако седиментогенные воды могут быть эпигенетическими (от греч.«эпи» — на, после), т.е. они могли возникнуть после образования осадочных пород, когда в слои диагенетически преобразованных осадков проникли воды морских бассейнов. Седиментогенные воды называют погребенными или реликтовыми (от лат.«реликтус» — остаточный).
В некоторых случаях в толщах осадочных пород смешиваются воды различного происхождения. Особенно сильные изменения претерпевают воды морского генезиса при тектонических погружениях и при погребении их среди мощных слоев осадочных толщ. Они погружаются на значительные глубины в условиях повышенных температур и давлений.
Магматогенные, или ювенильные, подземные воды (от лат. «ювенилис» — юный). Давно было обращено внимание, что в областях современной или недавней вулканической деятельности присутствуют источники минерализованных вод с довольно высокими температурами (термальные воды). В 1902 г. Э.Зюсс для объяснения происхождения таких вод выдвинул ювенильную гипотезу. По его представлениям такие воды образовались из паров воды, выделяющихся при остывании магмы. Эти воды возникают в результате вулканической деятельности или проникают в приповерхностные части из глубинных сильно нагретых магматических тел, в которых первоначально находится 7 — 10 % воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается и по трещинам и разломам поступает в земную кору и местами изливается на поверхность.
Выделившиеся из магматического расплава пары воды конденсируются, насыщаются различными газовыми компонентами и, перемещаясь вверх по трещинам и разломам, пересекают толщи, насыщенные водами другого происхождения. Поэтому вблизи земной поверхности мало вод исключительно ювенильного происхождения. Чаще распространены воды смешанного характера.
Метаморфогенные подземные воды. Такие воды еще называют возрожденными или дегидратационными. Они образуются при метаморфизме осадочных пород или минеральных масс, содержащих в значительных количествах кристаллизационную воду или газовожидкие включения. К таким породам относятся карбонаты, сульфаты или хлориты. Под воздействием высоких температур и давления происходят процессы дегидратации. Например, при дегидратации гипса выделяется вода, а он сам переходит в ангидрит. В том случае если процессы дегидратации протекают медленно и длительно, то они приводят к образованию капельно-жидкой воды.
Типы подземных вод
Исходя из условий залегания и по гидравлическим признакам подземные воды в верхней части земной коры разделяются на два типа: 1) безнапорные, к которым относятся почвенные воды, верховодка, межпластовые воды и грунтовые воды; 2) напорные или артезианские.
Почвенные воды распространены в почвенном слое. Они возникли в результате инфильтрации атмосферных осадков, талых вод и
конденсации атмосферной влаги. Качество почвенных вод и их состояние определяются тремя основными факторами: увлажненностью почвы, толщиной зоны аэрации и текстурно-структурными особенностями и составом почвенного горизонта. На территориях, где толщина зоны аэрации большая, а грунтовые воды располагаются глубоко, в почвенном горизонте возникают капиллярные воды, которые заполняют пространства между зернами. Толщина таких капиллярных вод составляет первые десятки сантиметров, и они в свою очередь зависят от мощности самого почвенного горизонта. При неглубоком залегании грунтовых вод возможна подпитка почвенного горизонта за счет таких вод. В этом случае почвенные воды поднимаются вверх по капиллярам.
Верховодка возникает в пределах зоны аэрации на сравнительно небольшой глубине от поверхности земли в результате инфильтрации атмосферных осадков. Вода временно накапливается в виде отдельных линз на толще водонепроницаемых пород, залегающих среди водопроницаемых. Водой оказываются насыщенными линзы суглинков или глин, которые линзообразно распространены среди песчаных толщ. Подземные воды верховодки образуются на сравнительно небольших глубинах, а мощность водонасыщенных слоев колеблется от 0,5 м до 3 м. Наибольшее насыщение характерно для верховодки в весенний период, во время интенсивного снеготаяния и осенью, когда происходит обильное выпадение атмосферныхосадков. В засушливые годы и в летний сезон толщина верховодкии насыщенность ее водой уменьшаются. Временами верховодка полностью истощается. В южных степных и полупустынных районах, где постоянные водоносные горизонты располагаются на значительныхглубинах, воды верховодки в сельских местностях используется для питьевого водоснабжения и полива садов и огородов. Однако с экологической точки зрения это в корне ошибочно, так как в водах верховодки оказываются в растворенном состоянии химикаты, используемые для удобрения почв, и ядовитые пестициды.
Межпластовые безнапорные воды обычно располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми слоями. Наиболее часто они приурочены к приподнятым пластам междуречных массивов в условиях расчлененного рельефа. Обычно они выходят в береговых склонах оврагов, рек и других водоемов в виде нисходящих источников (рис. 3.2).
Грунтовые воды
Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды, располагающиеся на первом от земной поверхности стабильном водоносном горизонте. Они находятся в рыхлых отложениях или в верхней части трещиноватых коренных пород. Грунтовые воды имеют широкое распространение. Эти воды настолько важны для жизнедеятельности человека, что требуют специального рассмотрения.
Верхняя часть насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод. Породы, насыщенные грунтовыми водами, носят название водоносного горизонта. Его мощность определяется расстоянием от зеркала грунтовых вод до поверхности водоупорного слоя. Ее величина изменяется в пространстве и во времени. Грунтовые воды питаются от инфильтрации атмосферных осадков, а местами за счет инфильтрации речных вод или других поверхностных водоемов. По своим гидравлическим особенностям грунтовые воды являются безнапорными водами со свободной поверхностью. Зеркало грунтовых вод определяется верхним уровнем воды в колодцах и скважинах. Грунтовые воды способны перемещаться в виде потоков по соединяющимся между собой порам или трещинам в результате силы тяжести. Зеркало грунтовых вод в определенной мере повторяет ре- льеф земной поверхности, и грунтовые воды перемещаются от повышенных участков, начиная от водоразделов, к пониженным участкам — оврагам, долинам рек, в озера или моря. В них происходит разгрузка грунтовых вод в виде нисходящих источников — родников или вода профильтровывается под дном в реки, озера или моря. Такие области называются областями разгрузки или дренирования (oт франц. «дренаж» — сток). Скорость движущихся по порам или по широким трещинам зависит от водопроницаемости горных пород и уклона их уровня. Под уклоном понимается превышение уровня воды в одной точке над уровнем в другой.
Зеркало грунтовых вод, их количество и качество изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы, наоборот, понижается. При таких колебаниях верхние слои, содержащие грунтовые воды, то насыщаются ими, то осушаются. Вместе с колебанием уровня грунтовых вол изменяется дебит (от франц. «дебит» — расход) источников, a иногда и химический состав грунтовых вод. При насыщении они опресняются, а при дефиците — засолоняются. В районах с влажным и умеренным климатом реки дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья или паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод. В этом случае реки выступают в качестве временного дополнительного источника питания подземных вод. При этом ослабляется, а иногда и полностью прекращается разгрузка грунтовых вод со склонов речной долины. После паводка уровень грунтовых вод, стремясь к равновесию, постепенно снижается и приобретает свой обычный уклон к реке. В аридном климате, где количество атмосферных осадков крайне мало, уровень грунтовых вод часто понижается ниже речного. В таких условиях происходит инфильтрация воды из реки, которая пополняет запасы грунтовых вод. Именно так происходит в реках Сырдарья и Амударья при пересечении ими крайне аридных степных районов. Надо отметить, что в таких районах могут образоваться линзы пресных вод под такырами и днищами каналов.
При изучении режима грунтовых вод необходимо знать:
• высотное положение уровня грунтовых вод и его изменения во времени и пространстве;• дебит источников;• количество выпадающих атмосферных осадков;• изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды.Большое значение имеют не только перечисленные данные, но и систематические замеры уровня грунтовых вод в колодцах и специальных буровых скважинах. По результатам замеров строятся специальные карты, на которых отражается положение зеркала уровня грунтовых вод.Изучение режима грунтовых вод имеет огромное экологическое значение. Ведь они составляют основу питьевого и промышленного водоснабжения. Грунтовые воды используются для мелиорации. Их состояние и режим обязательно учитываются при строительстве и эксплуатации гидростанций и крупных промышленных сооружений. Важнейшее значение имеет прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и площади.
Напорные подземные воды. К напорным подземным водам относятся подземные воды водоносных горизонтов, располагающиеся между водоупорными пластами горных пород. Они занимают большие пространства и находятся вне сферы воздействия существующих местных рек, овражно-балочной сети и других понижений. Такие напорные воды получили название артезианских от провинции Артуа (в древности Артезия) во Франции, где впервые в Европе их стали добывать с помощью трубчатых колодцев, из которых воды самоизливались.Водоносные горизонты, содержащие напорные межпластовые воды, связаны с определенными отрицательными структурами. По условиям залегания выделяются артезианские бассейны. Артезианские бассейны представляют собой группу артезианских водоносных горизонтов, занимающих значительные территории. В каждом артезианском бассейне выделяются: область питания — территории выхода на дневную поверхность водоносных пластов, которые занимают высокие гипсометрические уровни; область разгрузки, или дренирования — места выхода на поверхность водоносного горизонта на более низких гипсометрических уровнях. Разгрузка может осуществляться в виде источников с восходящим потоком вод или выход воды в рыхлые отложения под дном рек или на дно морей; 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.
Размеры артезианских бассейнов, приуроченных к прогибам и впадинам платформенных областей, колеблются от сотен км2 до первых тысяч км2. Такие бассейны содержат огромные объемы вод питьевого качества. Воды настолько высокого качества, что они широко используются для питьевого и промышленного водоснабжения крупных городов и мегаполисов. К крупным артезианским бассейнам платформенного типа относятся Московский, Днепровско- Донецкий, Западно-Сибирский, Парижский, Рейнский и др. В каждом из перечисленных бассейнов выделяются несколько водоупорных горизонтов, последовательно залегающих друг над другом. Артезианские бассейны на платформах в основном питаются атмосферными осадками, которые инфильтруются в водопроницаемые слои и, достигая водоупора, начинают двигаться к центральным частям бассейна и тем самым приобретают гидростатический напор.В предгорных и межгорных впадинах питание артезианских бассейнов осуществляется не только путем инфильтрации атмосферных осадков, но и за счет поглощения поверхностных вод, стекающих с горных склонов, и перетока подземных вод из водоносных слоев в горных областях. Разгрузка различных типов подземных вод показана на рис. 3.2. Нисходящие источники связаны с подземными ненапорными водами — верховодками, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. Источники, связанные с верховодками, функционируют oграниченное время. Они периодически иссякают, но появляются вновь после выпадения и инфильтрации атмосферных осадков и талых вод. Абсолютное большинство нисходящих источников грунтовых вод связано с эрозионными врезами долин. Они располагаются в основании склонов оврагов, речных долин, в нижней части обрывистых берегов озер и морей. Вода таких источников стекает по контакту водоупорного и водоносного горизонтов. Такие источники называют контактными. В большинстве случаев источники представляют собой разобщенные выходы вод.
Своим происхождением восходящие источники обязаны гидростатическому напору, характерному для артезианских бассейнов. В основном по своему положению они представляют эрозионные источники. Нередко подземные воды по тектоническим разломам и восходящим трещинам поднимаются из глубин и изливаются на морском дне. Такие мощные восходящие струи известны на дне Средиземного моря и некоторых внутренних морей. Подобные источники также располагаются на шельфе и на континентальном склоне. Точно такие же источники известны во многих районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов.
Химический состав подземных вод
В процессе движения подземные воды выщелачивают и частично растворяют химические соединения, находящиеся в горных породах. По количеству растворенных в подземных водах химических соединений они весьма разнообразны — от существенно пресных до рассолов (рапы). Суммарное содержание растворенных солей в подземных водах принято называть общей минерализацией (в г/л или мг/л).
Классификация подземных вод по количеству растворенных в ней солей и химических соединений приведена в табл. 3.1.
Другой наиболее известной классификацией является классификация, предложенная В. И. Вернадским и А. М. Овчинниковым (табл. 3.2).
Принадлежность к пресным водам регламентируется соответствующим ГОСТом. Солоноватые воды могут использоваться для технического водоснабжения, орошения, а соленые воды и рассолы — в лечебных и бальнеологических целях.
Гидрохимический тип подземных вод определяется по содержанию преобладающих анионов и катионов и их сочетанию. Из анионов наиболее распространенными являются НС03-, S042-, Сl -, а из катионов — Са2+, Mg2+, Na+. Сочетания вышеперечисленных анионов и катионов определяют основные свойства подземных вод — щелочность, соленость и жесткость (табл. 3.3).
В природе установлена закономерная широтная зональность подземных вод, обусловленная климатическими условиями. Для областей избыточного увлажнения характерна изменяющаяся минерализация (в зависимости от местных условий) от ультрапресных до слабоминерализованных. В сухих степях, полупустынях и пустынях, т.е. в областях сухого (аридного) климата, распространены воды с повышенной минерализацией.
Таблица 3.1
Классификация подземных вод по степени минерализации
| Подземные воды | Общая минерализация, г/л |
| Пресные: | 0,01 – 1,0
0,01 - 0,03 0,03 – 0,1
0,1 - 0,5 0,5 - 1,0
1,0 - 10,0 1,0 - 3,5
3,5 - 10,0 10,0 – 50,0
10,0 - 35,0
35,0 - 50,0 Более 50,0
50 – 100 100 - 270
270 – 350 Более 350 |
| наиболее пресные | |
| очень пресные | |
| нормально пресные | |
| пресноватые | |
| Солоноватые: | |
| слабосолоноватые | |
| сильносолоноватые | |
| Соленые: | |
| слабосоленые | |
| сильносоленые | |
| Рассолы: | |
| слабоконцентрированные | |
| крепкие | |
| очень крепкие | |
| сверхкрепкие |
Классификация подземных вод по общей минерализации и гидрохимическому типу. Табл.3.2
Вертикальная зональность наблюдается в артезианских бассейнах, которая связана с различными условиями водообмена. В зоне активного водообмена, где воды движутся от областей питания к областям разгрузки и выходят в виде источников, происходит быстрое обновление подземных вод за счет большого количества поступающих атмосферных осадков. Такие воды характеризуются невысокой минерализацией и обладают гидрокарбонатно-кальциевым и реже гидрокарбонатно-сульфатным составами. В зоне слабого или замедленного водообмена, которая располагается глубже, обновление воды растягивается на тысячи и сотни тысяч лег. Постепенно степень их минерализации увеличивается и состав становится гидрокарбонатно-сульфатным, сульфатным и хлоридно-сульфатным. На самых больших глубинах артезианских бассейнов покоятся воды весьма слабого водообмена. Здесь обмен вод осуществляется миллионы лет. Ввиду этого в этих областях имеются воды повышенной солености и рассолы, сохранившиеся с далеких геологических эпох.
Во всех крупных артезианских бассейнах наблюдается определенная зональность, вызванная изменением только мощности зон. Так, в Московском артезианском бассейне пресные воды встречаются до глубин 200 — 300 м, а в Днепровско-Донецком — до 500 м. Ниже располагается зона солоноватых и слабосоленых вод. На глубине 400 — 600 м в Московском артезианском бассейне буровыми скважинами вскрыты девонские отложения, которые насыщены сульфатными и кальциево-натриевыми водами с минерализацией до 4,5 г/л. Эти воды используют в качестве лечебных.
По мере увеличения глубины минерализация возрастает и в хлоридно-натриевых рассолах наблюдается увеличение количества ионов кальция. В самых погруженных частях артезианских бассейнов встречаются хлоридно-кальциевые или хлоридно-кальциево - магниево-натриевые рассолы. Такие воды имеют большое значение для нефтяной гидрогеологии. В глубоких водоносных горизонтах кроме основных анионов и катионов нередко содержатся йод, бром, бор, стронций, литий и радиоактивные элементы. Некоторые воды, содержащие повышенные количества этих элементов, являются ценным сырьем и служат объектом промышленной добычи.
Источники и минеральные воды
Источники. Естественные выходы подземных вод на поверхность в виде ключей или родников называются источниками. Чаще всего они приурочены к долинам рек, оврагов, балок, прорезывающих водоносные горизонты, и к берегам озер и морей. Среди источников различают нисходящие и восходящие.
Нисходящие источники создаются подземными водами со свободной поверхностью — верховодкой, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. В своем большинстве источники, в которых происходит медленная и свободная разгрузка, располагаются в основании склонов речных долин и оврагов.
Дебит нисходящих источников не постоянен и меняется во времени. Особенно большие колебания свойственны нисходящим источникам верховодки. Большинство из них высыхает в сухое время года. Размеры дебита нисходящих источников связаны с условиями питания и степенью насыщенности пластов водой. Наибольшей водообильностью обладают источники водоносных горизонтов, приуроченные к крупнозернистым и галечно-гравийным пескам, галечникам, а также к сильно трещиноватым известнякам. Источники, находящиеся в трещиноватых известняках, нередко дают начало ручьям и рекам, особенно в областях широкого развития карбонатных массивов, как, например, в Крыму и на Кавказе.
Восходящие источники представляют собой естественные выходы артезианских вод в местах их естественной разрузки. Hа месте выхода вода выбивается вверх в виде небольшого фонтанчика. Вода поднимается по трещинам и разломам, рассекающим толщи горных пород, или насыщает водоносные горизонты, которые обнажаются на поверхности. Нередко восходящие источники изливаются вблизи морского побережья, на акватории заливов, лиманов и в других местах шельфа. Такие источники называют подводными.
С выходами вод в виде источников связаны своеобразные отложения. Среди них наиболее часто встречаются грубопористые известковые туфы — травертино. Они образуются в местах излияния на поверхность жестких гидрокарбонатно-кальциевых подземных вол вследствие нарушения карбонатного равновесия. На поверхности часть растворенной в воде углекислоты уходит в атмосферу, а гидрокарбонат Са(НС03)2 переходит в труднорастворимый карбонат СаСО3. Особенно интенсивно этот процесс протекает в местах выхода на поверхность углекислых вод, дренирующих карбонатные породы.
Минеральные воды. Минеральными называются подземные воды, обладающие своеобразным минеральным составом, которые оказывают активное медицинское или биологическое воздействие на организм человека и используются в лечебных целях. Минеральные воды различаются не только химическим составом, но и температурой. Их принято разделять на холодные, обладающие температурой до 20°С, теплые — при температуре 20 — 27 °С, термальные — при температуре 37 — 42 °С, горячие, или гипертермальные, обладающие температурой свыше 42°С. Среди минеральных вод по химическому составу наиболее известными являются углекислые, сероводородные и радиоактивные.
Углекислые минеральные воды настолько сильно насыщены углекислотой, что непрерывно выделяют ее в виде пузырьков. Среди постоянно газирующих выделяют следующие: 1) пресные или солоноватые холодные углекислые воды, которые известны на курортах Кисловодска (нарзаны), Дарасун, Шматовка, Боржоми (Грузия) и др.; 2) горячие углекислые воды, имеющие температуру 37 — 40°С, а местами и выше 70°С. Это воды типа Славяновской (Железноводск), Карловы Вары (Чехия), Истису (Азербайджан), Джермук (Армения) и др. Замечено, что наиболее крупные источники углекислых вод располагаются в районах развития молодых интрузивных магматических тел, а также приурочены к зонам разломов. Так, к разлому, вдоль которого возник надвиг Главного Кавказского хребта, и оперяющим его мелким разломам приурочена целая цепочка выходов углекислых минеральных вод типа нарзана. Источники почти непрерывной полосой выходят, начиная от высокогорья в районе оз. Рица, в горной части Абхазии, в Сванетии и вплоть до азербайджанской части Главного Кавказского хребта.
Сероводородные, или сульфидные, минеральные воды. Их лечебные свойства определяются содержанием в них 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). В зависимости от происхождения различают азотные, сероводородные и метановые воды.
Азотные источники сформировались в условиях сочетания торфяных отложений и неглубоко залегающих гипсоносных пород, из которых поступают сульфатно-кальциевые воды. В торфяниках происходит процесс восстановления сульфатов и образования сероводорода. К этому типу относятся сероводородные воды курортов Кемери (Латвия), Краинка (Тульская область), Хилово (Псковская область).
Метановые сероводородные воды образовались в восстановительной обстановке в глубоких частях артезианских бассейнов и тесно связаны с битуминозными и нефтеносными пластами. Они характеризуются высоким содержанием сероводорода. К таким водам относятся воды Мацесты,Талги (Дагестан), Усть-Качки (Приуралье).
В районах современной вулканической деятельности (Курилы, Камчатка) и в областях молодой вулканической деятельности (Пятигорск, Ессентуки) на поверхность изливаются углекислые и сероводородные минеральные воды.
Радиоактивные минеральные воды характеризуются повышенным содержанием ряда радиоактивных элементов. Для лечебных целей широко используются радоновые воды известных курортов Цхалтубо (Грузия), Белокуриха (Алтай).
К особой категории минеральных вод относятся гипертермальные воды, обладающие температурой 100°С и выше, выходящие на поверхность в районах современной вулканической деятельности, в частности, на Камчатке, Курильских и Японских островах, Индонезии, Новой Зеландии. Горячие воды используются в промышленных целях для обогрева домов и теплиц. На базе месторождений термальных вод работают геотермальные электростанции. Одна такая электростанция построена в 1965 г. на Камчатке (Паужетская геотермальная станция). Энергетические установки на базе термальных источников работают в США, Мексике, Японии, Италии и других странах.
3.2. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины
(по П. П. Климентову):
I — песок; 2 — песок водоносный; 3 — супеси; 4 — глины; 5 — известняки трещиноватые; 6 — уровень верховодки; 7— то же, грунтовых вод; 8 — то же, межпластовых ненапорных вод; 9 — то же, артезианских вод; 10 — нисходящие источники;
II — направления движения безнапорных вод; 12 — разгрузка артезианских вод;
13 — восходящий источник
