Подземные воды

 
 

Виды  воды в горных породах 

    В настоящее время выделяют несколько  типов вод, находящихся в горных породах:

1. Прочносвязанная (гигроскопическая) 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.
2. Рыхлосвязанная (пленочная) 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.
3. 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. 3) [10].

Рис.3. Прочносвязанная, рыхлосвязанная и капельно-жидкая вода.

а - частицы с неполной гигроскопичностью; б - частицы с полной гигроскопичностью; в, г - частицы с рыхлосвязанной водой (вода движется от частицы с г к частице в); д - частицы с гравитационной водой

4. 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.
5. Вода в виде пара содержится в воздухе, который заполняет пустоты, поры и трещины горных пород. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды, а также с парами воды в атмосфере и обладает большой подвижностью.
6. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов. Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки.
7. Капиллярная вода 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 1,5–3м [5].

 

Происхождение подземных вод 

      По  своему происхождению подземные  воды бывают: инфильтрационные; конденсационные; седиментогенные; магматогенные, или ювенильные; метаморфогенные, или возрожденные.

      1) 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.

          2) 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.

    3) 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 входе диагенеза, т. е. преобразования осадка в горную породу.

    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.

    4) 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.

    5) 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 газово-жидкие включения. К таким породам относятся карбонаты, сульфаты или хлориты [2]. 

    Типы подземных вод по условиям их залегания 

Исходя  из условий залегания и по гидравлическим признакам подземные воды в верхней части земной коры разделяются на два типа (рис. 4) [11]:

• безнапорные, к которым относятся почвенные воды, верховодка, межпластовые воды и грунтовые воды;
• напорные или артезианские.

Рис. 4 Классификация подземных вод по условиям их залегания

     Безнапорные подземные воды 

     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 – подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту, имеющему ограниченное распространение. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, развивается заболачивание. К верховодке также нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя, представленные почти связанной водой, где капельно-жидкая вода присутствует только в период избыточного увлажнения.

     Воды  верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими  веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Как правило, верховодка не может служить хорошим  источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения этого типа вод: устраивают пруды, отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы, насаждения растительности или задерживающие снеготаяние.

     Межпластовые воды обычно располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми слоями. Часто они приурочены к приподнятым пластам междуречных массивов в условиях расчлененного рельефа. Обычно они выходят в береговых склонах оврагов, рек и других водоемом в виде нисходящих источников (рис. 5) [12].

     

     Рис. 5 Схематический гидрогеологический разрез части речной долины 
1, 2 - водопроницаемая порода, 3- рыхлая горная порода, 4- водоупорный слой, 5- известняки трещиноватые, 6- уровень верховодки, 7- уровень грунтовых вод, 8- уровень межпластовых ненапорных вод, 9- уровень артезианских вод, 10- источники нисходящие, 11- направление восходящий источник, 12- разгрузка артезианских вод 

     Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте, выдержанном по простиранию, и характеризуются более или менее постоянным дебитом. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

     Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалось выше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое [5].

     Во  время весеннего половодья и  паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается (рис. 6) [13].

Рис. 6 Различные случаи соотношения речных и грунтовых вод: 
А - уровень грунтового потока наклонен к реке (обратное соотношение в период половодья); Б - уровень грунтовых вод наклонен от реки (питание происходит за счет инфильтрации речных вод);

1- водопроницаемая порода; 2- водонепроницаемая порода; 3- уровень подземных вод 

     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 (рис. 5) [2].

Рис. 5. Артезианские напорные воды: l – длина, h – высота, 1 – водоносный горизонт, 2 – водоупорный горизонт, 3 – фонтанирующая скважина, 4 – осадки.

     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. [2] 

     Источники подземных вод 

     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 (рис. 6) [14].