Глава 7

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 поверхностной водой и активно участвуют в круговороте воды в природе. Все, что связано с подземной водной оболочкой, включая теоретические и особенно прикладные аспекты, изучает наука гидрогеология. В паше время пресная вода стала важнейшим полезным ископаемым.

Структура и свойства воды определяются строением ее молекулы — Н₂0 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. Гидроли могут объе­диняться. 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 бывает нескольких видов.

1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например в гипсе — CaS0₄ • 2Н₂0 (-21 % воды по массе), мирабилите Na₂SO₍ • ЮН₂0 (-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 прожилок льда. Лед образуется и при сезонном про­мерзании воды, содержащейся в горных породах.

3. Вода в виде парасодержится в воздухе, который находится в порах горной породы.

4. Прочносвязанная водарасполагается 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).

Рис.7.1. Типы воды: 1 — прочносвязанная, 2 — рыхлосвязанная, 3 — гравитационная

Л

2

3

3. Рыхлосвязанная водапредставляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частице породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленки к менее толстой.

4. Капелъно-жидкая (гравитационная) водауже обладает способно­стью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя.

5. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных 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 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 капиллярно-подвешеннойводы, удерживаемой в тонких по­рах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин (рис. 7.2).

Подземные воды распределяются в верхней части земной коры впол­не закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхнос­ти, называется зоной аэрации,т. к. она связана с атмосферой и 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.

„, ® © lib Lin himiimiiii

<D

•*

• • •

Рис. 7.2. 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 канельно-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 то же.

Горные породы подразделяются на водопроницаемые, слабопрони­цаемые и водоупорные.

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

п 100,

где Vn — объем пор в образце,a F - объем всего образца.

Пески обладают пористостью 30-35 %.

К слабопроницаемымпородам относятся супеси, легкие суглинки, лессы.

Водоупорнымисчитаются всевозможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы.

» •

Глины имеют пористость 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 влагоемкостьюпонимают такое состояние породы, в котором 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. 7.4). Раз­ница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной вла­гоемкостью называется водоотдачей,а удельная водоотдача —это ко­личество воды, получаемое из 1 м³горной породы.

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

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

Рис.7.3. 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

Верховодка— это временное скопление воды в близповерхност- ном слое в пределах зоны аэрации, в водоносных отложениях на лин- зовидном, выклинивающемся водоупоре (рис. 7.3). Как правило, вер­ховодка появляется весной, когда тают снега, или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до вер­ховодки, летом пересыхают. Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суг­линков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флю- виогляциальных отложений.

Грунтовые водыпредставляют собой верхний постоянный водо­носный горизонт, располагающийся на первом же протяженном во­доупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в

© © ©

Рис. 7.4. Влагоемкость и водоотдача. 1 — полная влагоемкость, все поры заполнены водой; 2 — водоотдача, гравитационная вода стекла; 3 — максимальная молекулярная влагоемкость: вода удерживается силами молекулярного сцепления. Разница между объемами воды в 1 и 3 называется водоотдачей

1

Рис. 7.5. Движение грунтовых вод в зависимости от уровня вод и давления. 1. Точки А и Б имеют одинаковое давление, но А выше Б и вода движется от А к Б (толстая стрелка). 2. Точка В имеет более высокое давление, чем точка Г, и вода движется от В к Г. 3. Точка Д имеет большее давление, чем точка Е, вода движется от Д к Е.

е — уровень грунтовых вод

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 во- досодержащего 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 (рис. 7.3).

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. Естественно, 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 нескольких десятков метров в сутки (рис. 7.5).

ШШ

Рис. 7.6. Образование деирессиониой воронки в уровне грунтовых вод при усилен­ном отборе воды из скважины. 1 — водоносный горизонт; 2 — уровень воды в скважине; 3 — депрессионная воронка; 4 — новый уровень грунтовых вод; 5 — прежний уровень грунтовых вод (до отбора)

©

©

ъ

в

В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может изменяться, и летом дебитисточников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают (рис. 7.7). Зеркало грунтовых вод особен-

но 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. 7.6).

Межпластовые безнапорные подземные водыприурочены 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.

Напорные,или артезианские, межпластовые водыобразуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водо­упорными, приурочен или к пологой синклинали, или к мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возмож­но образование напорного градиента.

ДОЖДЬ

водоносный перемещение

слой подземных

вод

колодец

Рис. 7.7. Положение уровня грунтовых вод в дождливый (1) и засушливый (2) сезоны. В сухой сезон понижается уровень реки (межень) и некоторые колодцы пересыхают

Li «И

где h — превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой, а 1 — расстояние между ними (рис. 7.8). Напорные воды обладают спо­собностью самоизливаться и фонтанировать, т. к. находятся под гидро­статическим давлением. Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому они и стали называтьсяартезианскими.Каждый артезианский бассейн включает в себя облас­ти питания, напораи разгрузки.Первая область представляет собой выход на поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все ат­мосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Область на­пора заключена между двумя водоупорами — водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а место, где водоносный слой появляется на по­верхности или вскрывается скважинами, но ниже области питания, на­зывается областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах раз­вито сразу несколько водоносных напорных горизонтов, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глу­бины водоносных горизонтов могут превышать 1500 м.

©

Рис. 7.8. Артезианские напорные воды: 1 — водоносный горизонт, 2 — водоупорный горизонт, 3 — фонтанирующая скважина, 4 — осадки, h/1 — напорный градиент

Напорный, или гидравлический, градиент:

В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-500 м содержат пре­имущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой ми­нерализацией. В центре европейской части России находится Московс­кий артезианский бассейн, располагающийся в пологой чашеобразной впадине — Московской синеклизе. Водоносные горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а водо­упорами служат прослои глин. Области питания располагаются на кры­льях синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты минеральные воды с минерализацией 2,4 4,5 г/л.

Это всем известная московская минеральная вода. В Московском арте­зианском бассейне сосредоточены большие запасы пресных и промыш­ленных вод. В отношении всей территории России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так и промышленной и термальной.

Типы источников.Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в виде родников и ключей с холодной вкусной водой. Родники появляются там, где происходит разгрузка водоносных гори­зонтов (рис. 7.9).

Нисходящие источникичаще всего располагаются недалеко от уре­за воды в долине реки, в нижней части склонов оврагов, там, где к поверхности подходят водоупорные горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также межпластовы­ми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом вплоть до высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода из­ливается спокойно ввиду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как происходит с кар-

Рис. 7.9. Различные типы источников: 1 — воды трещинного типа, 2 — нисходящий, 3 — восходящий, 4 — карстовый. Точки: редкие — пески; частые — водоносный горизонт. Черным цветом показаны источники

стовыми источниками, вытекающими из пещер или из полостей, обра­зовавшихся в карбонатных породах.

Восходящие источники — это выходы на поверхность в местах раз­грузки напорных вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому, особенно когда он пересекает водоупор­ные слои.

Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление так называемого известкового туфа, или травертина,иногда достигающего нескольких метров мощнос­ти. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов из­вестны на г. Машук в Пятигорске, в районе Кавказских Минераль­ных Вод. Туф образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Са(НС0₃)₂переходит в СаС0₃при уходе в воздух С0₂— углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки ли­стьев растений, кости древних животных, которые постепенно об­волакиваются известковым туфом.

7.3. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части зем­ной коры, тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека — водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т. д. Именно в области прикладной геологии очень важно понимать существо природно-технического взаимодействия, уси­ливающегося техногенного пресса на геологическую среду. Мировые запасы пресной воды составляют 34 980 тыс. км³, и в России, включая поверхностные и подземные воды, 3 млн км³, причем водопотребление быстро растет.

Одними из важных задач прикладной гидрогеологии являются обо­снование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а сейчас особенно, и оценка качества воды. Кажется невероятным, но в России в настоящее время только 1 % воды отвечает нормам, установ­ленным для питьевой воды. Большая часть воды на земле непригодна для питья. Около 70 % пресной воды уходит на орошение, а на произ­водство 1 кг пшеницы уходит 1 м³воды. Многие регионы, такие как США, Северный Китай, Северная и Западная Индия, Западная Азия, Северная Африка, выкачивают подземную воду гораздо быстрее, чем восстанавливаются водоносные горизонты.

Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова бу­дет депрессионная воронка и как быстро она сформируется? Какова должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ.

В связи с отбором воды из водоносных горизонтов разного типа из­меняется водный режим ландшафтов, происходит изменение раститель­ности, меняются поверхностный сток и напряженно-деформированное состояние водонасьпценных горных пород. Понижение уровня грунто­вых вод приводит к угнетению лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к уменьшению поверхностного водного стока и обмелению небольших рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных уча­стков земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния во- доотбора на окружающую среду,а также геофильтрационное моделиро­вание потока подземных вод.

Для многих городов характерно подтопление территорий, т. е. повыше­ние уровня грунтовых вод за счет увеличения инфильтрации осадков, уте­чек промышленных вод, искусственного орошения. Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), умень­шение прочностных свойств грунтов. Поэтому необходимо проводить дре­наж, чтобы снизить уровень грунтовых вод.

Другая опасность — это техногенное загрязнение подземных вод из атмос­феры в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и др. Все это способствует про­никновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водонос­ные горизонты (рис. 7.10). Все сказанное выше свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения в связи с усиливающимся техногенным загрязнени­ем. Существует еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о том поистине жизненном значении, которое приобретает наука о подземных водах.

4

Рис. 7.10 Загрязнение водоносного горизонта за счет просачивания вод из района свалки: 1 — зеркало грунтовых вод, 2 — направление движения грунтовых вод, 3 — свалка, 4 — дождь, 5 — загрязнение воды