Лекция №22

Круговорот воды в природе. Виды воды в горных породах.

План:

1.Гидросфера и круговорот воды в природе.

2.Виды воды в горных породах.

3.Свойства горных пород по отношению к воде.

4.О зоне аэрации и насыщения.

Ключевые слова: Круговорот, бессточные области, испарение, транспирация, инфильтрация, гидросфера, гидросфера, зона аэрация, парообразная, связанная, прочносвязанная, рыхлосвязанная, капиллярная, гравитационная, кристаллизационная, конституционная, водопроницаемость, влагоемкость.

Общая площадь земного шара S 10*106 км 2, из них воды Мирового Океана занимают 70,8%, остальная территория (28,2%) представлена сушей, т.е. имеет сток воды в моря и океаны. Бессточные области не имеют стока в океаны и моря. Примером областей является Аралокаспийская и другие области. Поступающая в эту область влага полностью расходуется на испарение и транспирацию.

Плакат №32. Круговорот воды в природе.

Запасы воды в различных звеньях гидросферы (тыс. км3):

1.Мировой океан – 13720,3

2.Подземные воды – 60000

3.Ледники – 24000

4.Озёра – 280

5.Почвенная влага – 85

6.Пары атмосферы – 14

7.Речные воды – 1,2

Всего: 1454703

Влага на земном шаре находится в постоянном круговороте:

	Б	суш
А		У.П.

Рис. Схема круговорот воды в природе.

А – малый круговорот; море Б - большой круговорот.

а – поверхностный сток; б - подземный сток.

Различают большой (Б) и малый (А) круговороты. При большом круговороте влага, испаряющаяся с поверхности океанов, переносится в форме водяных паров воздушными течениями на сушу, выпадает здесь на поверхность в виде осадков, а затем возвращается в моря и океаны поверхностным и подземным стоком. При малом круговороте влага, испаряющаяся с поверхности океанов, морей, здесь же выпадает в виде осадков.

Библиотека карьериста

101

Подземные водами образуются преимущественно путём инфильтрации атмосферных осадков, а также путём инфильтрации речных и других вод под действием силы тяжести просачиванием по крупным порам и трещинам горных пород.

Наиболее распространённая классификация видов воды в горных породах.

Была предложена А.Ф. Лебедевым.	В настоящее время	наиболее расширена
данная классификация другими учёными и представлена в следующим виде:
Парообразная вода находится	в форме водяного	пара	в воздухе

присутствующем в парах и трещинах горных пород и в почве, передвигается вместе с воздухом, а также от участков с высокой абсолютной упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью. При определённых условиях путём конденсации может переходить в жёсткую форму. Парообразная вода – единственный вид, способный передвигаться в породах при незначительной влажности.

Связная вода присутствуют главным образом в глинистых породах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести. Подвижность её несравненно меньше подвижности свободной воды.

Различают прочно- и рыхлосвязанную воду.
Прочносвязанная вода удерживается	на поверхности частиц силами,

значительно превышающими силу тяжести. По свойствам прочносвязанная вода близка к твердому телу. Имеет высокую плотность, вязкость и упругость, свойственна преимущественно тонкодисперсным породам, передвигается только в форме пара, не способна растворять соли, недоступна для питания растений.

Рыхлосвязанная вода - располагается над прочносвязанной (адсорбированной) водой , удерживается молекулярными силами. Менее сильно связана с частицами пород, более подвижна, плотность близка. К плотности свободной воды, способна передвигаться от частицы к частице породы под влиянием сорбционных сил, причём в засоленных породах передвижение воды происходит к участкам с более высокой концентрацией солей, сил тяжести так же не подчиняется и не передаёт гидростатический напор, способность растворять соли понижается.

В некоторой степени доступна для использования растениями. Содержание плёночной воды может достигать в песках 1-7%, супесях 15-23%, суглинках 15-

23%, глинах 25-40%.

Капиллярная вода находится в капиллярных водах и трещинах горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха находящегося в парах пород. Капиллярная вода подразделяется на 3 вида: собственно - капиллярную, подвижную и воду углов пор.

Гравитационная вода подчиняется силе тяжести. Движения воды происходит под влиянием этой силы и напорного градиента, передаёт гидростатический напор.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипс CaSO4*2H2O, сохраняет молекулярную форму.

Вода в твёрдом состоянии – в форме льда. Кроме указанных видов,

выделяют химически связанную (конституционную) воду, которая участвует в строении кристаллической решётки минералов в форме ионов H+, OH-, т.е не сохраняет молекулярной формы.

Свойства горных пород по отношению к воде. Гранулометрический состав (процентное содержание в рыхлой породе частиц различного размера) служит

Библиотека карьериста

102

классификационным признаком позволяющим установить название породы (грунта).

Плотность с - масса единицы объема твёрдой фазы (минеральных частиц)

породы (г/см3). Для большинства горных пород она изменяется от 2,6 до 2,7. Плотность входит в ряд расчётных формул для определения физических и механических свойств пород.

Объёмная масса – масса единицы объёма породы (г/см3). Для глинистых пород объёмную массу находят дважды: для грунтов в естественном состоянии ∆- при естественной пористости и влажности: объёмная масса твёрдой фазы, или скелета породы, δ – без массы воды в порах, но с сохранением естественной пористости,

δ =	∆	, где
	(1−0,01W)

W – массовая (весовая) естественная влажность породы, %.

Значения δ возрастает с повышением плотности породы. Естественная влажность – это отношение массы воды к массе минеральной части породы:

W =	gв			или отношение объёма воды V		в	к объёму всей породы
в	gм.ч.
W =Vв		или W =W ×δ
0	Vn			0	в

Массовую влажность породы определяют взвешиванием образца до высушивания и после него. Полученную разность, отвечающую содержанию воды, делят на массу высушенного образца.

Горные породы имеют поры, пустоты, трещины. Пористость (n) породы характеризуется формулой:

n =Vn ×100V , где Vn, V – объём пор и породы.

Для определения пористости (n) надо знать плотность или объемную массу породы:

n =(1− сд)×100 ,

где д с- объёмная масса и плотность минеральной части породы.

Кроме показателей (n), широко используется в расчётах – коэффициент пористости (e), равный отношению объема пор к объему скелета породы. Пористость (n) и коэффициент пористости (е) связаны между собой следующим образом:

e =1−nn ; n =1+e e

Водопроницаемость – это способность горных пород, пропускать через себя воду. Она обусловлена наличием в породах пустот. Галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые, магматические, метаморфические и осадочные породы обладают хорошей водопроницаемостью. Глина, алевролиты и не трещиноватые, не выветренные горные породы, водонепроницаемые.

Абсолютно водонепроницаемых пород нет. Вода в земной коре нередко находится под значительным напором и может просачиваться даже через толщу глин. Показатели водонепроницаемости породы служит коэффициент фильтрации

(Кф).

kф = I ×QF

Библиотека карьериста

103

Q = Kф ×F ×I - если обе стороны делим на F.

V = QF или V = Kф ×F×I ,

где Q – расход фильтрационного пока – количество воды протекающее через данное поперечное сечение потока в единицу времени м3/ сутки.I – градиент напора или гидравлический градиент. F – поперечное сечение потока, м2.

Влагоёмкость – это способность пород вмещать и удерживать в пустотах определённое количество воды. Она выражается ( в процентах) отношением массы влаги, заключённой в пустотах, к массе сухой породы.

Различают полную влагоёмкость - наибольшее количество связной, капиллярной и гравитационной воды, которое может содержаться в породе при заполнении всех пустот.

Капиллярную влагоёмкость (КВ)-наибольше количество капиллярной влаги, которое может содержаться в породе. Растворимость – это способность горных пород растворяться в воде.

О зоне аэрации и насыщения. В рыхлых горных породах ниже уровня грунтовых вод все поры полностью заполнены водой, кроме пор, занятых защемлённым воздухом – это зона насыщения. Слой выше неё называется зоной аэрации. Мощность зоны аэрации равна глубине залегания уровня первой от поверхности подземных вод, и поскольку эта глубина изменчива во времени, то и мощность зоны аэрации непостоянна.

Река

I

II

Рис. Связь зоны аэрации и грунтовых вод.

Непосредственно над уровнем грунтовых вод располагается капиллярная влага. В зоне аэрации может быть распространена парообразная, гигроскопическая, плёночная, подвешенная, капиллярная, гравитационная и твёрдая вода. На линзах и прослойках слабопроницаемых пород могут образоваться временные водоносные горизонты, называемые верховодкой. Она образуется в результате просачивания осадков, поверхностных и оросительных вод.

Плакат №33 Зона аэрации и залегания грунтовых вод.

Во всех случаях, когда скорость поступления на такие линзы или прослойки больше, чем скорость просачивания через них воды. Чаще всего верховодки носят сезонный характер (возникаю весной, исчезаю осенью) вследствие испарения и транспирации.

Библиотека карьериста

104

Зона насыщения может быть однородна по составу и возрасту водовмещающей породы или же разнородна. В последующем случае в зоне насыщения находится несколько водоносных горизонтов: грунтовые, межпластовые, ненапорные и артезианские воды.

Водоносным горизонтом называют пласт, содержащий гравитационную воду, им может быть любая пористая порода или порода с многочисленными трещинами различных размеров (ширина трещин до см.). Водоносный горизонт подстилается водоупором, или водоупорным пластом, который является водонепроницаемым или слабоводопроницаемым.

Водоупором является глина, глинистые сланцы, не трещиноватые изверженные и другие породы.

Контрольные вопросы:

1.Содержится ли вода в минералах и горных породах?

2.В атмосфере происходит ли передвижение воды?

3.Какое влияние оказывает вода на свойство пород?

4.Естественная влажность горных пород как определяется?

5.Какое значение имеет пористость породы к водным свойствам породы?

6.Как определяется влагоёмкость горных пород?

Литература:

1.Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.

2.Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.

3.Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.

4.Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.

5.Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.

Библиотека карьериста

105

Лекция №23

Происхождение, классификацияи основы динамики подземных вод.

План:

1.Происхождение подземных вод.

2.Классификация подземных вод.

3.Законы фильтрации подземных вод.

4.Направления и скорости движение подземных вод.

Ключевые слова: фильтрация, инфильтрационные, конденсационные, седимантационные, ювенальные, аридный, гумидный, нивальный, транзитные реки, грунтовые воды, разгрузка напорных вод, артезианские воды, верховодка, ламинарное, турбулентное.

По происхождению подземные воды делятся:

1.инфильтрационный

2.конденсационный

3.седиментационный

4.магматического

5.метаморфического происхождения

Инфильтрационные воды образуется в результате просачивание с поверхности земли осадков и поверхностных вод в пустоты горных пород. Это группа составляет основную часть подземных вод, содержащихся в земной коре.

Конденсационные воды образуется при конденсации водяного пара, перемещающегося под влиянием разности упругости его из атмосферы в горные породы или внутри горных пород – от одного участка к другому. Конденсационное питание подземных вод недостаточно изучено. В некоторых физико-географических условиях, например, в высоко горных районах, оно имеет существенное значение, но по сравнению с инфильтрационных питанием мало.

Седиметнационные воды образуется за счет водоемов, в которых происходило накопление осадочных пород. Это погребенное воды, сохранившихся в глубоких частях гидрогеологических и нефтегазоносных структур, отличается высокой минерализацией, и представляют интерес как сырье для химической промышленности и как лечебных минеральных вод.

Воды магматического и метаморфического происхождения образуется при извержении и застывании магмы, а также выделяются при метаморфизации минералов и горных пород. Иногда их называют ювенальными. На данной стадии развитие Земли они не играют заметной роли.

Инфильтрационное питание подземных вод зависит от осадков, испарение поверхностного стека и других факторов. В разных климатических зонах значения их различны. Так, среднемноголетние годовые суммы осадков изменяются от 70-80мм., в пустынях (Каракумы и Кизылкумы) до 240мм. в зоне влажных субтропиков (Черноморское побережье Кавказа).

Боле чем на 75% территории Республики Узбекистана осадков выпадает мене 500мм. С точки зрения инфильтрации важное значение имеет тепловой режим воздуха и зоны аэрации и внутригодовое распределение осадков.

В условиях теплового климата возможна круглогодовая инфильтрация.

Библиотека карьериста

106

С точки зрения оценки условий инфильтрации климат делится на нивальный,

гумидный и аридный.

Нивальный или снеговой, характерен для высокогорных хребтов и полярных областей.

Гумидный или влажный, свойственен тундре, тайге и лесной зоне, где осадки преобладают над испаряемости, в связи, с чем происходит интенсивное инфильтрационное питание подземных вод, подземные воды здесь пресные.

Аридный или сухой, характерен для степей полупустынь и пустынь, где испаряемость преобладает над осадками, поэтому инфильтрация очень слабая, минерализация грунтовых вод повышенная и высокая. Подземные воды в пустынях и полупустынях образуется в основном за счет фильтрации из транзитных рек, подземного притока из горных областей, разгрузки напорных вод, конденсации. Меньшую роль играют осадки.

В зависимости от гидравлических свойств (подземные воды), а также условий залегания, подземные воды классифицируется:

1. Верховодка 2. Грунтовый 3. Артезианские воды Верховодка образуется на линзах и прослойках слабопроницаемых пород в зоне

аэрации и является временным (сезонным) водоносными горизонтами.

Она образуется в результате просачивания осадков, при поверхностных и оросительных водах. Верховодка при интенсивном питании может сливаться с водоупорна наполняя грунтовые воды.

Грунтовые воды залегают на первом или слабопроницаемом слое. На всей площади развития эти воды могут получать питание сверху за счет инфильтрации осадков и поверхностных вод. Их поверхность свободная, т.е. давление на этой поверхности равно атмосферному. В скважинах и колодцах, в скрывающих грунтовых вод, уровень воды, как правило, устанавливается этой глубине, на который был вскрыт.

Артезианский воды залегают в водопроницаемых отложениях, заключенных между водонепроницаемыми, полностью заполняют пустота в пласте мощностью и находятся под напором Н (рис). Поэтому в скважинах вскрывающих воды, уровень поднимается выше отметки вскрытия и часто выше поверхности земли. Установившийся в скважине уровень воды называют пьезометрическими.

Рис. Схема артезианского водоносного горизонта и грунтовых вод.

Подземные воды движутся под влиянием силы тяжести от областей питания, где уровень их имеет наибольшие отметки, к областям разгрузки, где отметки уровня наименьшие. Областями питания подземных вод являются горные хребты с окружающими их предгорными шлейфами. Области питания подземных вод

Библиотека карьериста

107

приурочены также к водохранилищам. Оросительными каналами, озерам и т.д. разгрузка подземных вод происходить в долинах рек, оврагах, в зонах выливания подземных вод. Искусственная разгрузка подземных вод образуется при отборе подземных вод скважинами, колодцами, осушительными дренами. Направления движения подземных вод (грунтовых) почти всегда совпадает с уклоном рельефа.

Фильтрация – это движение подземных вод в порах рыхлых горных пород и в трещинах осадочных, магматических и метаморфических пород в условиях, когда поры и трещины полностью заполнены водой.

Различают движение воды ламинарное (установившиеся) и турбулентное (неустановившиеся).

Ламинарное или параллельно-струйчатое движения без пульсаций скоростей характеризуется постоянством во времени в любом сечении, мощности, напорного градиента скорости фильтрации, расхода воды.

А турбулентное наоборот, пульсационной-вихревый движения перемещают различный слой потока.

Линейный закон фильтрации. Ламинарное движения подземных вод подчиняется линейному закону фильтрации, закону Дарси.

Q=K*J*W или Q=K* J *F

где:

Q–расход фильтрационного потока. Количество воды протекающей через данной поперечное сечение потока в единицу времени (м3/сут.).

K – коэффициент фильтрации породы (м/сут.).

Y – градиент напора или гидравлический градиент W – поперечное сечение потока, м2

Градиент напора характеризует уклон свободной поверхности грунтовых вод или пьезометрической поверхности грунтовых вод. Его вычисляют по формуле:

J=(H1-H2)/l

Где:

H1 – отметка уровня грунтовых вод или пьезометрическое поверхности напорных вод в сечении I, м.

H2 – тоже в сечении II,

l – расстояние между сечениями I – II, или путь фильтрации, м (рис)

Библиотека карьериста

108

Градиент напора можно определить из формулы (I) обе части выражения разделить на площадь поперечного сечения потока W(m2), получим:

WQ K * J

Левая часть равенства определяет собой скорость фильтрации. V (м/сут.)

V=K*J если J=1, то V=K

Отсюда следует что коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации при градиента напора, равном единице.

Скорость движения подземных вод даже в однородной породе различно. По этому, когда речь идет о скорости движения подземных вод, то подразумевают среднюю скорость, изменяющуюся от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров в сутки. Её определяют в полевые условиях методами индикаторов, геофизическими изотопными и др. Для определения направления подземных вод использует карты гидроизогипс (рис). На рис. Стрелка показывает на направления движения подземных вод.

Водопроницаемость горных пород зависит от их трещиноватости, от размера и густоты трещин и сообщающих пор. Чем больше сечение трещин и пор, тем выше коэффициент фильтрации. Ориентировочный значения коэффициентов фильтрации (м/сут.) рыхлых горных пород приводятся ниже:

Глина – 0,0001песок мелкозер, и среднезерновый – 1-20 Суглинок – 0,05-0,10песок крупнозеновый – 20-50 Супесь – 0,1-0,5гравий -20-150

Лёсс – 0,25-0,5галечник – 100-500

Песок Т.З. – 0,5-1 крупный галечник – 500-1000

Коэффициент фильтрации и водоповодимость водоносных отложений можно определят путем наблюдении за стоком действующих производственных или опытных дрен, скажем вертикального дренажа и других водозаборов подземных вод для расчета коэффициента фильтрации, помимо дебита водозабора, необходимо знать положения депрессионной кривой грунтовых вод, который определяет по наблюдательным скважинам, размещенных на поперечники.

Движения потока подземных вод может происходить при горизонтальным и наклонным водоупоры. Рассмотрим закономерности движения потока. Напор определяется относительно горизонтальной плоскости, за которую приняты поверхность водоупора. Кривая упора грунтовых вод называемая депрессионной кривой, ограничивает сверху водонасышенную часть пласта:

Мощность потока – У – величина переменная.

Библиотека карьериста

109

Напорный градиент в любом сечение равен тангенсу угла между касательной к депрессионной кривой и осью абсциссе. При наклонном водоупоре напор высеченных I и II принимается над горизонтальной плоскостью сравнения 0-0, и напорный градиент будет равен

J=(H1-H2)/l

Единичный расход подземного стока вычисляют по формуле

g = (H1 − H2 )(h1 + h2 )

2l

где:

h1 и h2 – мощность потока в двух сечениях, среднее значение ее равно

hер = h1 +2 h2 .

Рассмотрим приток подземных вод и водозаборным сооружениям (скважина, колодцы и др.) который предназначен для отбора воды (подземных) на орошения и водоснабжения, а также при осушении сельскохозяйственных земель.

При откачке воды вследствие трения воды частицы грунта происходит воронкообразное понижения уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу.

В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис).

Радиус воронки депрессии называются радиусом влияния (R) величина R входит во многие расчетные формулы при проектировании водозаборных и дренажных сооружений. Для определения R использует различные расчетные формулы. Часто используется формула Кусакина.

Библиотека карьериста

110

R =1,95S НКф

где

S – понижения уровня при откачки по центру воронки, м; H – мощность грунтовой вода, м;

Кф – коэффициент фильтрации, м/сут.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют формулой:

Q = ПКф Н2 −h 2 ln R −ln r

где:

Q– расход (дебит) колодца при откачке м3/сут. Кф – коэффициент фильтрации, м/сут.

H– мощность грунтовой вода, м;

R– радиус влияния, м;

r – радиус колодца (определяются по площади поперечного сечения колодца, м).

Контрольные вопросы:

1. Пересилите направление использования подземных вод. а) Использования в питьевых целях б) в промышленность в) использование в сельском хозяйстве.

2.На какой глубине залегают подземные воды в городе Алмалык?

3.В вертикальном разрезе как выгладят водоносные горизонты?

4.Как происходит искусственная разгрузка подземных вод?

Литература:

1.Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.

2.Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.

3.Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.

4.Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.

5.Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.

Библиотека карьериста

111