Геологическая деятельность подземных вод

Глава 7.0. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

     Все воды, находящиеся в порах и  трещинах горных пород ниже поверхности  Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут существовать без обмена с водой поверхностной и активно участвуют в круговороте воды в природе (рис. 7.1). Все, что связано с подземной водной оболочкой, включая теоретические и, особенно, прикладные аспекты, изучает наука гидрогеология. В наше время непрерывно усиливающегося техногенного пресса на природную среду пресная вода стала важнейшим полезным ископаемым.

     Структура и свойства воды определяется строением ее молекулы - НгО в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер тетраэдра расположены два положительных заряда ядер атомов водорода, что составляет гидроль или элементарную дополнительную структурную единицу воды (рис. 7.2). Гидроли могут объединяться между собой. Так, для льда устойчивой структурой будет тетраэдр, состоящий из гидролей. Гексагональная решетка льда, состоящая из связанных между собой тетраэдров очень рыхлая, поэтому увеличение температуры приводит к нарушению и так непрочных связей решетки и некоторые гидроли как бы «падают» внутрь решетки, которая разрушается на отдельные массивы и, наконец, превращается в пресную воду, обладающую наибольшей плотностью при Т= +4°С.

7.1. Виды воды в горных породах

Вода в горных породах содержится в нескольких различных видах.

1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например, в гипсе - CaS04-2H20 ( -21% воды по массе), мирабилите Na2SO4-10H2O (-56% воды по массе). Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки. Так, гипс потеряет одну молекулу воды при +107°С, а вторую - при +170°С, после чего он превращается в ангидрит - CaS04.
2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся в горных породах.
3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах горной породы.
4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на поверхности  мельчайших  частиц  таких   пород,   как  глины  и   суглинки.   Эта  пленка
 

удерживается  силами молекулярного сцепления  и не может стечь с поверхности  частицы (рис. 7.1.1).

5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленке к менее толстой.
6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести,

начиная с верхнего почвенного слоя.

 

Рис. 7.1.1. Типы воды: 1 – прочносвязанная, 2 – рыхлосвязанная, 3 – гравитационная

7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных (лат. капилярис – волосяной) трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5 – 3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.

   Выше  уровня грунтовых вод может располагаться  еще одна неширокая кайма капилярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин (рис. 7.1.2).

     

     Подземные воды распределяются в верхней части  земной коры вполне закономерно. Самая  верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может присутствовать и в виде льда.

     Рис. 7.1.2. Распределение воды выше зоны грунтовых  вод: 1 – зона аэрации, 2 – зона полного насыщения (водоносный горизонт), 3 – капиллярно-подтянутая вода, 4 – капиллярно-подвешенная вода

 

     

Таким образом, зона аэрации представляет собой  как бы переходный буферный слой между  атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены  капельно-жидкой водой и тогда образуется водоносный горизонт.

     Однако  горные породы в различной степени  проницаемы для воды, что зависит  от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость  не одно и тоже.

Горные породы подразделяются на:

1. Водопроницаемые – песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые 
песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др. и это несмотря на то, что 
галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20%. Пористость

Vn n= V

Где Vn – объем пор в образце, а V – объем всего образца.

Vn n=      ⋅100 V

- пористость в процентах. Пески обладают пористостью в 30-35%.

2. К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лёссы.
3. Водоупорными считаются всевозможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы (табл.10).

Таблица 10

Прочность и  проницаемость горных пород 

   Глины имеют пористость в 50-60%. Все дело в том, что поры в глинах очень  тонкие (субкапиллярные) и вода через  них не может проникнуть, т.к. задерживается  силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость  зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих  породу зерен и от плотности их сложения.

 

   

Способность горных

                                                    пород накапливать и  удерживать в себе воду называется влагоемкостью. Под полной влагоемкостью понимают такое состояние породы, в которой все виды пор заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость – это то количество воды, которое остается в горной породе после того, как стечет вся капельно-жидкая гравитационная вода. Оставшаяся вода удерживается в порах силами молекулярного сцепления и поверхностного натяжения (рис. 7.1.3). Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельной водоотдачей – количество воды, получаемой из 1 м³ горной породы.

Рис. 7.1.3. Схема  залегания грунтовых вод: 1 – верховодка (водоносный временный горизонт), 2 – локальный водоупор, 3 – водоносный горизонт, 4 – водоупорный горизонт, 5 – зеркало грунтовых вод, 6 – река, 7 – аллювий, 8 – родник

   Классифицировать  подземные воды можно по разным признакам  – по условиям залегания, по происхождению, по химическому составу.

  Типы  подземных вод  по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные, подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или артезианские.

   Верховодка – это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном,

   выклинивающемся водоупоре (рис. 7.1.4). Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.

 

   

   Рис. 7.1.4. Влагоемкость горной породы: 1 – полная влагоемкость, все поры заполнены водой; 2 – стекание капельно-жидкой гравитационной воды; 3 – максимальная молекулярная влагоемкость, вода удерживается силами молекулярного сцепления. Разница между объемами воды в 1 и 3 называется водоотдачей

   Временными  водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флювиогляциальных отложений.

     Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми.

     Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.

7.2. Движение и режим грунтовых вод.

     Зеркало грунтовых вод ведет себя в  зависимости от рельефа повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования (фр. дренаж – сток). Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.

 

     

     В зависимости от количества атмосферных  осадков объем грунтовых вод  может изменяться и летом дебит (фр. дебит – расход) источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка (рис. 7.1.6).

     Межпластовые  безнапорные подземные  воды приурочены к водоносным слоям, располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.