Типы подземных вод и их геологическая деятельность

Подземные воды – воды, находящиеся в толще земной коры. Находятся они в различном физическом состоянии – жидком, твёрдом (лёд, а также вода, связанная в кристаллической решётке различных минералов) и газообразном (водяной пар). Основную работу производит вода в жидком состоянии. Но вода внутри земной коры способна переходить из одного состояния в другое. Поэтому при изучении гидрологического режима подземных вод нужно учитывать все возможные состояния её нахождения. Изучение подземных вод и их деятельности является предметом особой дисциплины, находящейся на стыке геологических и географических наук – гидрогеологии.

Подземные воды участвуют в общем круговороте воды, но с различной интенсивностью. Выделяют зоны:

- свободного водообмена (верхнюю) – большей частью пресные;

- замедленного водообмена (среднюю) – минерализованные;

- весьма замедленного водообмена (нижнюю) – преимущественно рассолы.

Виды подземных вод:

1. Свободная вода заполняет трещины и пустоты в грунтах и горных породах. Свободные воды образуют скопления и подземные потоки, передают гидростатическое давление по закону сообщающихся сосудов.

2. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры и промежутки. Удерживается силами поверхностного натяжения и может подниматься выше уровня свободной воды на 2 м и более. Это имеет большое значение в природных процессах. В частности, именно этот эффект приводит к засолению почв.

3. Плёночная вода обволакивает минеральные частицы плёнкой толщиной в доли микрона. Удерживается силами поверхностного натяжения и может перетекать туда, где плёнка тоньше.

4. Гигроскопическая вода облекает минеральные частицы плёнкой, толщиной в одну молекулу. Становится подвижной только при переходе в газообразную форму. Не замерзает при существующих на Земле температурах.

5. Лёд – замёрзшая вода. Может содержаться в форме мелких кристаллических частиц (в мёрзлых грунтах) и формировать скопления.

6. Газообразная вода, или водяной пар содержится в составе подземных атмосфер.

7. Кристаллизационная вода входит в состав минералов в виде молекул (гипс, опал). Удаляется и переходит в другие состояния при реакциях дегидратации.

8. Конституционная вода – в составе кристаллической решётки минералов в диссоциированном виде. Высвобождается лишь при полном разрушении минералов при метаморфических процессах.

Верховодка - временное скопление гравитационныхподземных вод в зоне аэрации в породах (почвах), подстилаемых линзами или выклинивающимися пропластками водонепроницаемых (или слабо проницаемых) пород. Верховодка образуется в результате проникновения атмосферных или поверхностных вод (талых снеговых или паводковых), а также из искусственных водоёмов; исчезает вследствие внутрипочвенного испарения, просачивания через слабо проницаемые грунты или проникновения до постоянно существующего уровня грунтовых вод.

Верховодка характеризуется сезонной изменчивостью, ограниченной площадью распространения, резкими колебаниями уровня, запасов и химического состава вод. Верховодка, как правило, непригодна для водоснабжения. При ведении открытых горных работ в области развития верховодки необходимо обеспечение устойчивости откосов въездных, разрезных траншей и рабочих бортов, которое достигается применением пригрузок, сооружением горизонтальных дренажных скважин, использованием водоотлива и водоотвода.

Грунтовые воды - гравитационные подземные воды первого от поверхности Земли постоянного водоносного горизонта. Образуются главным образом за счёт инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и вод рек, озёр, водохранилищ, оросительных каналов и шахтных водоотводных канав. Поверхность грунтовых вод — свободная, ненапорная; при вскрытии грунтовых вод скважинами или колодцами их уровень устанавливается на той глубине, где они были встречены. Области питания и распространения грунтовых вод совпадают.

В зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков поверхность грунтовых вод испытывает сезонные колебания (в сухое время года она понижается, во влажное — повышается), изменяются также дебит, химический состав и температура грунтовых вод. Вблизи рек и водоёмов изменения уровня, расхода и химического состава грунтовых вод определяются характером гидравлической связи их с поверхностными водами и режимом последних. Величина стока грунтовых вод за многолетний период приблизительно равна количеству воды, поступившей путём инфильтрации.

Грунтовые воды имеют большое значение для народного хозяйства как источники водоснабжения промышленных предприятий, населенных пунктов и др. При эксплуатации грунтовых вод ставятся задачи рационального использования и охраны вод от истощения и загрязнения, которые наблюдаются в районах деятельности промышленных предприятий. Изменение химического состава грунтовых вод особенно заметно вблизи химических заводов, теплоэлектростанций, обогатительных фабрик, отвалов горных пород, оросительных каналов, шахтных водоотводных канав. В горнопромышленных районах отмечается также нарушение естественного гидрогеологического режима и истощение ресурсов грунтовых вод (полное — при открытом способе разработки и частичное — при подземном).

Степень влияния подземных горных работ на режим и ресурсы грунтовых вод зависит от соотношения глубины разработки и высоты развития водопроводящих трещин зоны над добычными выработками при выемке полезных ископаемых с обрушением пород кровли. Сохранение режимов грунтовых вод может быть достигнуто закладкой (полной или частичной) выработанного пространства (при этом высота развития зоны водопроводящих трещин не должна превышать подошвы водоупорного слоя грунтовых вод), а также при помощи тампонирования зон деформации пород, изменения технологии производства горных работ (например, применение бесцеликовой выемки полезных ископаемых), управления горным давлением и др.

Артезианские воды - напорные пластовые воды, залегающие между водоупорными слоями. Образуют крупные водонапорные системы — артезианские бассейны.

Артезианские воды, вскрытые буровыми скважинами, поднимаются выше кровли водоносного пласта, а при избыточном гидростатическом давлении изливаются на поверхность Земли или фонтанируют. Формирование напора артезианской воды связано с гидравлической изолированностью водоносных горизонтов, с разностью высот областей питания и распространения вод, находящихся на пониженных участках; некоторую роль играет также выжимание воды из уплотняющихся осадков (глин) в менее уплотнённые (песчаники, известняки). Условия залегания артезианских вод разнообразны — главным образом они приурочены к мульдообразным структурам; встречаются также при флексурообразном асимметричном моноклинальном залегании слоев.

Артезианские воды в районах активного водообмена — пресные или солоноватые, в условиях застойного режима — солёные или рассолы и являются, по-видимому, захороненными водами древних морских бассейнов, находившихся в различных геологических эпохах на этой территории. При разработке месторождений артезианских вод (если они не являются самостоятельным объектом эксплуатации) проявляются в виде прорывов, затрудняют проходку горных выработок и требуют применения специальных мер по защите выработок от воды.

Трещинные и карстовые воды - подземные воды, залегающие и циркулирующие в трещиноватых и закарстованных горных породах. Для трещинно-карстовых вод характерны турбулентное движение и относительно большие ресурсы вод. При проходке выработок и добыче полезных ископаемых без применения водозащиты трещинно-карстовые воды проявляются в виде повышенных водопритоков и мощных внезапных прорывов (часто вызывающих затопление выработок). Горные работы в области трещинно-карстовых вод вызывают также развитие депрессионной поверхности подземных вод на большой площади и истощение водных ресурсов. Трещинно-карстовые воды, благодаря повышенной водоотдаче и хорошей дренируемости закарстованных и трещиноватых массивов, содержащих воды, широко используются в народном хозяйстве для питьевого и технического водоснабжения.

Гидроизогипсы, коэффициент фильтрации

ГИДРОИЗОГИПСЫ - линии, соединяющие на карте (плане) точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками высот поверхности безнапорных подземных вод.

Коэффициент фильтрации k является важнейшей гидрогеологической характеристикой породы, вмещающей водоносный горизонт. В силу этого при любом гидрогеологическом обследовании площадки коэффициент фильтрации водоносных пород должен быть определен тем или другим методом.

Коэффициент фильтрации определяют как среднее арифметическое значение по результатам лабораторных и полевых исследований, полученных в одинаковых условиях.

Коэффициент фильтрации зависит от свойств породы и жидкости, поэтому его обычно используют для гидротехнических расчетов в тех случаях, когда жидкость одна и та же - вода.