подземных вод

СПБГУАП группа 4736

вскрывающие их скважины фонтанируют.

Обводненные зоны разломов, помимо кристаллических пород,

встречаются и в осадочных сцементированных толщах. Например, они широко развиты в осадочном чехле Сибирской платформы.

Закономерности локализации подземных вод в осадочных отложениях зависят преимущественно от их литолого-фациальных особенностей. В

кристаллических породах литология отступает на второй план, и основное значение приобретает трещиноватость пород. Влияют, конечно, и другие факторы, в частности положение водоносных пород-коллекторов в пространстве. Деление на накопители и проводники весьма условно,

поскольку один и тот же водоносный горизонт или обводненная зона может быть то накопителем (при его мульдообразной форме), то проводником (на участках наклонного залегания в области питания).

Водоносность трещиноватых пород

Трещинными коллекторами называют трещиноватые скальные породы,

как изверженные, так и осадочные (песчаники, кварциты, туфы и т.п.)

аккумулирующие и фильтрующие подземные воды. Воды в них перемещаются по системе сопряженных трещин - узких щелей различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием тектонических, климатических и геоморфологических факторов. В одних случаях имеется едва заметная система плоскостей без видимого перемещения по ним, в других хорошо выражены перемещения. Трещинные воды сравнительно слабо воздействуют на стенки каналов. Но в процессе развития геологических структур изменяются и условия движения подземных вод; трещины часто заполняются кристаллами различных солей,

рудными минералами или глинистым материалом. Анализируя характер выполнения трещин, а также характер контактов между боковыми породами,

можно судить о составе природных растворов в прошлые времена

СПБГУАП группа 4736

(палеогидрогеология).

Подземные воды, распределяясь по трещинам горных пород, образуют водоносные горизонты и зоны, форма которых определяется типом трещиноватости. Отчетливо выделяются воды, приуроченные к тектоническим трещинам, к трещинам коры выветривания и литогенетическим.

Вусловиях развития тектонической трещиноватости, особенно при наличии сложных деформаций с разрывами, расположение водообильных зон подчиняется тектоническим закономерностям, и ориентировка их зависит от типа геологических структур. Обычно в подобных районах имеется сложная сеть трещин, изучение которой требует большого внимания.

Вгранитных массивах или массивах, сложенных метаморфическими породами, покрытыми осадочными свитами, большое значение для подземных вод имеют хорошо выдержанные системы поперечных деформаций.

Вскладчатых районах водообильные зоны вытянуты по осям перегибов антиклиналей, но наибольшее значение имеют крупные молодые диагональные трещины и разрывы.

Вусловиях надвиговых структур плоскости надвигов,

ориентированные перпендикулярно давлению, часто бывают закрытыми и обычно играют роль барражей, преграждая доступ воде. Водообильная же зона располагается вблизи этих плоскостей, по более крутым поперечным и диагональным трещинам. В Копет-Даге П. И. Калугиным отмечены крупные диагональные разрывы; здесь хорошо выражена Копет-Дагская термальная зона, приуроченная к сбросовым деформациям вдоль подошвы Копет-Дага. С

этой зоной связан ряд восходящих источников.

Литогенетические трещины, развивающиеся в пределах всей толщи пород, благоприятствуют образованию потоков и бассейнов грунтовых вод

(рис.1). Наиболее мощные грунтовые потоки формируются в областях развития четвертичных лав. Трещиноватые лавы, часто подстилаемые

СПБГУАП группа 4736

брекчиями и галечниками, обычно выполняют неровности древнего рельефа.

В результате этого в погребенных долинах, на контакте водоупорных коренных пород и лав создаются грунтовые потоки, которые появляются на дневной поверхности в местах глубокой эрозии в виде мощных источников.

Литогенетические трещины обусловливают также водоносность артезианских бассейнов платформенных областей. А. С. Новикова (1951),

изучая трещиноватость осадочных пород восточной части Русской платформы, пришла к выводу о том, что широко развитые здесь трещины образовались в процессах диагенеза и уплотнения пород, причем частота трещин зависит главным образом от мощности пород. В горизонтальных слоях выделяются три группы трещин:

) трещины, перпендикулярные слоистости, наиболее характерные для известняков и доломитов;

Рис. 1. Подземные воды в лавовых потоках

- молодые лавовые излияния; 2 - более древние трещиноватые лавы; 3 -

лавовые брекчии и аллювиальные галечники, погребенные под лавовым покровом; 4 - коренные водоупорные породы; 5 - уровень воды; 6 -

направление движения воды в подлавовых потоках грунтовых вод; 7 - места поглощения поверхностных водотоков; 8 - крупные источники по краям лавовых потоков

) трещины, располагающие под углом к слоистости, обычно

СПБГУАП группа 4736

наблюдаемые в песчаниках; ) трещины сложного рисунка, характерные для глин, опок и мергелей.

В дислоцированных слоях наблюдаются, кроме того, трещины, не связанные с отдельными пластами. Они пересекают слои различного состава и твердости и преломляются на границах раздела между слоями. Обычно они выполнены кварцем, баритом и т. п. Во многих трещинах на поверхности стенок наблюдаются штрихи, борозды и зеркала скольжения. Расстояния между трещинами не имеют видимой связи ни с мощностью, ни с составом пород. Эти трещины, имеющие подчиненное значение, А. С. Новикова называет «трещинами локального распространения» и считает их дополнительными к трещинам, образовавшимся в процессе диагенеза и уплотнения пород.

Трещины выветривания возникают под влиянием температурного режима поверхностных слоев земли. Они очень прихотливы, имеют самые разнообразные размеры и часто бывают заполнены глинистым материалом.

Разновидностью трещин выветривания являются трещины скола,

образующиеся в процессе формирования речных долин и обычно параллельные простиранию косогоров; эти трещины способствуют развитию оползней и обвалов.

Температурные условия - нагревание и охлаждение горных пород -

передаются с поверхности в глубину и в стороны по трещинам. Особенно интенсивное разрушение пород вызывается чередованием замерзания и оттаивания в них воды. Воздействие температурных факторов на горные породы распространяется вглубь по определенным законам (зоны суточных,

годовых, многолетних и вековых колебаний), из которых следует, что зона наибольшей трещиноватости, а, следовательно, и обводненности, должна распространяться до глубины 2-3 м; далее, до глубины 20-30 м располагается зона меньшей трещиноватости; глубже количество трещин и обводненность пород уменьшаются еще более. В условиях Казахстана и Забайкалья,

отличающихся крайней резкостью климата и огромными амплитудами

СПБГУАП группа 4736

колебаний температуры, выветривание должно распространяться на большие глубины.

По мнению Н. И. Толстихина, большая глубина коры выветривания подтверждается характером распределения окисленных руд, которые встречаются во многих месторождениях Забайкалья на глубине до 100 м, а в некоторых случаях, особенно в карбонатных породах, и на глубине свыше

200 м. Более сильному разрушению подвергаются склоны гор, обращенные к югу, вследствие чего кора выветривания развивается на горных массивах асимметрично.

Развитие глинистого делювиального шлейфа прекращает доступ в трещины атмосферных осадков и сокращает площадь области питания. В то же время в результате глинизации трещин подошвы массива происходит естественный подпор, накопление воды, повышение уровня воды в трещинах.

Обнажение свежих участков трещиноватых пород, особенно в случае глубокого разрыва, вызывает дренаж трещинных вод и общее понижение уровня. Размывание массивов скальных пород поверхностными водами сопровождается уничтожением коры выветривания, представляющей с точки зрения водоносности особый интерес. Нивелирование рельефа при трансгрессии моря приводит к смыву коры выветривания и уничтожению верхней, наиболее трещиноватой и водообильной зоны.

В Забайкалье, в зависимости от рельефа, намечается следующая схема водоносности трещиноватых пород (рис 1.2).

I. Зона интенсивной трещиноватости на водоразделе (зона аэрации);

циркуляция вод интенсивная, инфильтрация значительная. Большинство трещин временно водоносны.. Зона постоянно циркулирующих вод» с

ослабленной трещиноватостью пород в центральной части массива и повышенной вблизи склонов, особенно на южной стороне.. Зона вод замедленной циркуляции с пониженной трещиноватостью пород.

СПБГУАП группа 4736

Рис. 1.2 Схема водоносности трещиноватых пород в условиях Забайкалья (по Н. И. Толстихину)- зона аэрации; II - зона постоянно циркулирующих вод; III - зона вод замедленной циркуляции; 1 - делювий; 2-

коренные породы с интенсивной трещиноватостью; 3 - коренные породы с ослабленной трещиноватостью; 4 - источник.

Условия питания подземных вод, развитых в трещиноватых породах,

зависят в основном от рельефа, характера покровных образований и количества выпадающих осадков. Наибольшее количество открытых трещин приурочено к более крутым склонам, где под влиянием силы тяжести продукты физического и химического выветривания перемещаются вниз.

Здесь при большом уклоне зеркала грунтовых вод происходит лучшее вымывание обломочного материала. На холмистых обнаженных водоразделах по трещинам легко может происходить инфильтрация.

Наибольшее значение инфильтрация приобретает на более пологой нижней части склонов, перекрытых с поверхности грубообломочным материалом.

СПБГУАП группа 4736

Глава 2. Водно-физические свойства горных пород и почв

2.1 Геометрия и свойства порово-трещинного пространства

Горные породы и почвы содержат различные виды воды. Ее свойства и способы передвижения определяются сочетанием гравитационных и молекулярных сил, действующих между частицами воды и породы. Условия залегания подземной воды, ее запасы и качество в значительной степени определяются водно-физическими свойствами горных пород.

Одними из главных свойств породы, определяющими ее отношение к воде, являются пористость и скважность. Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот - капиллярных пор, под скважностью -

наличие в породах более крупных, некапиллярных промежутков - скважин различного происхождения и формы. Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Особенности порово-трещинного пространства. Выделяют следующие виды скважности: 1) пористость осадочных не сцементированных (пески,

галечники, суглинки, глины) и слабо сцементированных (песчаники, опоки)

пород; 2) структурную пористость осадочных пород, связанную с наличием слоистости, структурных трещин и т.п.; 3) относительно равномерную трещиноватость выветривания и лито-генетическую; 4) трещиноватость тектоническую (крупные трещины) и кавернозность (полости разной формы в известняках).

По размерам пор или трещин скважность подразделяется на не капиллярную (более 0,5 мм), капиллярную (от 0,5 до 0,0001 мм),

субкапиллярную (менее 0,0001 мм). В первой и второй содержится свободная вода, в третьей - только физически связанная вода. Выделяют четыре типа порово-трещинного пространства и соответственно геологической среды: а)

пористую, б) с двойной пористостью, в) трещиноватую, г) с двойной трещиноватостью. Первый тип, несмотря на наличие пор разных размеров и

СПБГУАП группа 4736

формы, статистически характеризуется как достаточно однородная для движения воды среда. Второй тип отличается тем, что наряду с пористостью имеются трещины, которыми толща слабо сцементированных пористых пород разбивается на многочисленные блоки разных размеров. В этом случае среда считается гетерогенной. Третий тип похож на первый и характеризуется наличием незакономерно расположенных небольших трещин, которые образуют достаточно однородную для движения воды среду. Четвертый тип похож на второй, но отличается тем, что в массиве имеются системы крупных трещин или каналов, разбивающие среду на разной крупности трещиноватые блоки. Тем самым создается гетерогенно-

блоковая структура трещинного пространства.

Показатели порово-трещинного пространства. К ним относят пористость n, трещиноватость nт, удельную поверхность пустотного пространства S, коэффициент извилистости χ. Пористость характеризует долю порового пространства Vп в общем объеме V горной породы:

=Vп/V (2.1)

а трещиноватость - относительный объем трещин. Кроме того,

используется понятие приведенной пористости, представляющее собой отношение Vп объему скелета Vc породы. В этом случае коэффициент приведенной пористости ε равен

ε=n/(1-n) (2.2)

Средние значения пористости для некоторых пород следующие (в %):

пески 35-45, глины 45-60, песчаники, опоки, карбонатные породы 5-3,

кристаллические метаморфические и изверженные породы- 1-2 и менее.

Трещиноватость всегда меньше пористости, часто она составляет менее 1 %

и редко превышает 5 %.

Выделяют общую n, открытую n0 и активную nа пористость

СПБГУАП группа 4736

(трещиноватость). Общая пористость характеризует весь объем порово-

трещинного пространства и не позволяет судить о пропускной и емкостной способностях породы, так как некоторые поры и трещины могут быть несообщающимися (тупиковыми) и содержать физически связанную воду,

что уменьшает объем порово-трещинного пространства, через которое движется свободная вода. Пропускная способность породы зависит от размеров пор и трещин. Открытая пористость (трещиноватость)

характеризует долю сообщающихся между собой пор и трещин, а активная -

дополнительно учитывает ту часть порово-трещинного пространства,

которая занята физически связанной водой и практически не принимает участия в механическом движении воды. Активная и открытая пористости в песках практически равны общей пористости, а в суглинках и глинах они существенно меньше нее и часто не превышают первых процентов.

Удельная поверхность порово-трещинного пространства (общая поверхность пор и трещин в 1 см3 породы) весьма значительна, особенно для глин, и может достигать 10 м2 и более. Поэтому вода, двигаясь в такой среде,

расходует дополнительную энергию на трение о стенки пор и трещин, и тем больше, чем меньше их размеры. Относительный характер геометрии порово-трещинного пространства оценивается коэффициентом извилистости

χ (коэффициент Клинкенберга, который ввел его при исследовании массопереноса в подземных водах). Он всегда меньше единицы, для рыхлых песков равен 0,5-0,7, а для сцементированных песков - 0,25-0,5.

Влагоемкость горных пород

Пористость почв и пород определяет важные водные свойства:

водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность.

Последнее свойство характеризуется влагоемкостью, т. е. тем количеством воды, которое удерживается в почвах и горных породах при определенных условиях. Она выражается (в %) отношением веса или объема воды,

СПБГУАП группа 4736

содержащейся в породах, соответственно или к весу сухой породы, или к ее объему. В зависимости от степени насыщенности почв и пород водой и тех сил (капиллярных, адсорбционных), которые удерживают в них воду,

влагоемкость подразделяется на несколько категорий. Наиболее часто употребляются следующие понятия:

полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость (по Н. А.

Качинскому), характеризуется наибольшим количеством влаги, которое может вмещать порода при полном заполнении всех пор;

капиллярная влагоемкость (KB) - наибольшее количество капиллярно-

подпертой влаги, которое может содержаться в породе. Это величина переменная, зависящая от высоты слоя, для которого она определяется, над уровнем свободной воды;

наименьшая влагоемкость (НВ), или полевая влагоемкость,

характеризуется количеством влаги, которое почва или грунт способны удержать в подвешенном состоянии силами капиллярного и адсорбционного действия; соответствует (по Качинскому) капиллярной подвешенной влаге.

Горные породы подразделяются на сильновлагоемкие,

слабовлагоемкие и невлагоемкие. К сильновлагоемким породам относятся торф, глина, суглинки; к слабовлагоемким породам - мергели, мел, рыхлые песчаники, глинистые мелкие пески, лёссы; к невлагоемким -

крупнообломочные породы: галька, гравий, песок и массивные изверженные и осадочные породы.

Содержание воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени называется естественной влажностью. Обычно естественную влажность выражают отношением (в %)

веса воды к весу минеральной части породы:

(2.3)

где Р1 и Р2 - соответственно вес образца породы до и после