Общая Геология 2

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.

Напорные или артезианские межпластовые воды образуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен либо к пологой синклинали или мульде,

Рис.7.1.5. Движение грунтовых вод в зависимости от поднятия 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. l

– уровень грунтовых вод.

Рис. 7.1.6. Образование депрессионной 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)

или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента.

Напорный или гидравлический градиент

I = hl

Где h – превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой, а l – расстояние между ними (рис.7.1.7). Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.

Рис. 7.1.7. Артезианские напорные воды: 1 – водоносный горизонт, 2 – водоупорный горизонт, 3 – фонтанирующая скважина, 4 – осадки, I = h/l – напорный градиент

Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя области: питания, напора и 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 там, 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 горизонта, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1000-1500 м.

Вплатформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-5—м содержат преимущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой минерализацией.

Вцентре 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 хорошо известная московская минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы

пресных и промышленных вод. На всю территорию России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так 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.

Нисходящие источники чаще 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, в виду 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 карстовыми источниками, вытекающими из пещер.

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.

Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление т.н. 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 Ca(HCO3)2 переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 – углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно обвалакиваются 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.

Одной из важных задач прикладной геологии является обоснование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а, сейчас, особенно, м оценка качества воды. Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом

изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстр 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, изменение растительности, поверхностный сток, напряженнодеформированное состояние водонасыщенных 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 водоотбора на окружающую среду, а также геофильстрационное моделирование потока подземных вод.

Для многих городов характерно подтопление территорий, т.е. повышение уровня грунтовых вод за счет повышенной 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 другие способствуют проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты.

Рис. 7.1.8. Загрязнение водоносного горизонта за счет просачивания вод из района свалки: 1 – зеркало грунтовых вод, 2 – направление движения грунтовых вод, 3 – свалка, 4 – дождь

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.

Глава 8.0. КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Карстовые процессы развиваются в растворимых природными поверхностными и подземными водами горных породах: известняках, доломитах, гипсах, ангидритах, каменной и калийной солях. Основой процесса является процесс химического растворения пород и процесс выщелачивания, т.е. растворения и вынос какой-то части горных пород. Различные по своему составу воды растворяют породы по разному. Особенно агрессивны по отношению к карбонатным породам воды, насыщенные углекислотой, а гипс сильнее растворяется солоноватыми водами.

Под карстом понимают не только процесс, но и его результат, т.е. образование специфических форм растворения. Сам термин карст происходит от названия известкового плато в Словенских Альпах, где карстовые формы рельефа выражены наиболее ярко. Карст развивается везде, где есть выходы на поверхность карбонатных пород: в Горном Крыму, на побережье Адриатического моря, на Кавказе, Урале, в Средней Азии и еще во многих местах земного шара. Если карстовые формы видны на поверхности, то говорят об открытом карсте, а если они перекрыты толщей каких-то других отложений, то – о закрытом карсте. Последний чаще развитит в равнинных платформенных районах, тогда как первый – в горных.

8.1. Карстовые формы.

На поверхности карстовые формы представлены каррами, желобами и рвами, понорами, воронками разных типов, западинами, котловинами, слепыми долинами (рис. 8.1.1).

Карры - это разнообразные неглубокие выемки, образованные, в основном, выщелачиванием известняков поверхностными атмосферными водами. Н.А.Гвоздецким, одним из знатоков карста, были выделены карры следующих типов: лунковые, трубчатые, бороздчатые, желобковые, трещинные и ряд других. Все эти формы имеют глубину 5-20 – 5-0 см, редко размах рельефа достигает 1-2 м. Наиболее типичны желобковые карры, представленные параллельными желобками, разделенные острыми грядами. Рельеф с желобковыми каррами напоминает стиральную доску, а участки развития многочисленных карров называют карровыми полями.

Желоба и рвы представляют собой более протяженные и глубокие участки карстового выщелачивания поверхности известняков, наследующие поверхностные трещины и достигающие глубины до 5 м.

Поноры – узкие отверстия, наклонные или вертикальные, возникающие на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии процесса растворения и выщелачивания.

Эти каналы служат стоком поверхностных вод и направляют их вглубь массива горных пород.

Рис. 8.1.1. Карстовые формы рельефа: 1 – карры, 2 – воронки, 3 – полье, 4 – колодцы, 5 – шахты, 6 – исчезающие реки, 7 – провальные воронки, 8 – ущелье, 9 – пещера, 10 – сталактиты, 11 – сталагмиты, 12 - “терра-росса”, 13 – пещерное озеро

Карстовые воронки подразделяются на: 1) воронки поверхностного выщелачивания; 2) провальные; 3) воронки просасывания (коррозионно-суффозионные по Н.А.Гвоздецкому). Первый тип воронок напоминает собой воронку от взрыва снаряда или бомбы. Образуются они за счет выщелоченной с поверхности породы. Обычно в центре такой воронки располагается понор-канал, по которому уходит вода. Диаметр воронок обычно до 50 м, редко больше, а глубина 5-20 м. Провальные воронки связаны с обрушением свода над полостью, выработанной водами на некоторой глубине. Коррозионно-суффозионные воронки возникают в том случае, когда карстующиеся известняки перекрыты пластом песчаных отложений и последние вмываются в нижележащие карстовые полости. При этом из пласта песка уносятся отложения в поноры и образуется воронка просасывания или вымывания. Процессы суффозии широко распространены в природе.

Блюдца и западины представляют собой мелкие, небольшие карстовые воронки. Если воронки разных генетических типов сливаются по несколько штук вместе, то образуется карстовая котловина с рядом углублений на дне. Иногда дно у котловин может быть плоским.

Полья представляют собой довольно большие, сотни метров в диаметре, неправильной формы понижения, образовавшиеся при слиянии ряда котловин и воронок. В том числе и провальных.

Карстовые колодцы и шахты - это каналы, уходящие почти вертикально в известковые массивы на десятки и сотни метров при диаметре в первые метры. Они образуются при выщелачивании по трещинам, иногда поверхностными водными потоками, размывающими известняки. Шахтами называются вертикальные полости глубиной свыше 20 м, а меньше – колодцами. Если шахты соединяются между собой, а также с субгоризонтальными ходами и пещерами, то образуются карстовые пропасти, достигающие глубины в 1000 метров и более.

Слепые долины представляют собой небольшие речки, протекающие в закарстованных районах, имеющие исток, но внезапно оканчивающиеся у какой-нибудь воронки или поноры, куда и уходит вся вода. Иногда долины бывают полуслепыми, когда вода речки вдруг уходит под землю, а потом, через несколько километров появляется вновь, как это происходит в Западном Крыму около Севастополя. Речка Сууксу начинаясь на склонах гор внезапно исчезает и дальше продолжается лишь ее сухая долина с галькой. Примерно через 10-12 км река вновь появляется в виде мощного источника и уже как р. Черная впадает в Севастопольскую бухту. Надо отметить, что такие слепые и полуслепые долины широко развиты в местах распространения карстующихся пород - на Урале, в Башкирии, в Ленинградской, Смоленской, Нижегородской областях, в Крыму и на Кавказе.

В некоторых районах европейской равнины известны озера, которые внезапно исчезают, а потом вновь появляются. Дело в том, что эти озера находятся в карстовых котловинах или воронках. Поноры, присутствующие в них, забиты илом и тогда вода в озерах держится. Но если такая «пробка» вымывается, то и вода уходит в понор и глубже в карстовые полости.

Карстовые пещеры возникают различными способами: путем растворения, выщелачивания и размыва; путем обрушения, раскрытия и последующего размыва тектонических трещин. Подземные воды, протекая по трещинам или тектоническим раздробленным зонам, постепенно растворяя и выщелачивая известняки или доломиты. Таким образом, формируются пещерные полости, часто многоэтажные и сложные, когда отдельные крупные пещеры – «залы», соединяются с другими узкими каналами, щелями, нередко с текущими по ним ручьями.

Крупные пещерные комплексы формируются продолжительное время – десятки и сотни тысяч лет. В пещерах сделаны многие важные палеонтологические и археологические находки, которые позволяют датировать верхние этажи пещер более древним возрастом, чем нижние. Развитие пещер тесно связано с колебаниями уровня зеркала подземных вод и местным базисом эрозии, например, рекой, а также

тектоническими движениями. При понижении зеркала грунтовых вод, уже выработанные полости пещер осушаются и процесс растворения и выщелчивания переходит на более низкий уровень. Так может продолжаться несколько раз согласно с этапами врезания реки и колебаниями уровня грунтовых вод. В области многолетнемерзлых пород в пещерах развиты натечные формы состоящие из льда.

На дне пещер часто встречаются красноватые глинистые отложения, т.н. «терраросса» или «красная земля», представляющие собой нерастворимую часть карбонатных пород, обогащенную окислами железа и алюминия. Однако, наиболее впечатляющей особенностью ряда карстовых пещер являются сталактиты и сталагмиты – причудливые натечные образования, создающие неповторимый облик пещерных залов (рис. 8.1.2). Все дело в том, что вода, всегда капающая с потолка пещер, насыщена газом СО2, за счет растворения карбонатных пород, а, кроме того, насыщена и бикарбонатом

кальция – Са (НСО3)2. Происходит это по реакции

СаСО3 + СО2 + Н2О → Са (НСО3)2 Эта вода, капая с потолка, теряет

часть углекислоты, в результате чего реакция сдвигается влево и бикарбонат снова переходит в СаСО3, который и откладывается как на потолке пещеры (сталактит), так и на днище (сталагмит). В первую очередь на полу пещеры возникают наплывы, похожие на оплывший от свечи стеарин. Это, т.н. гуры. Затем на гурах возникают сталагмиты с широким основанием, а еще позже

–

. 8.1.2. Сталактиты пещеры Луммелунда ( Н.А. Гвоздецкий)

напоминающими палку или столб. Много позже на потолке пещеры начинают формироваться стлактиты, очень похожие на обыкновенные сосульки. Через какое-то время сталактиты и сталагмиты могут сомкнуться и тогда образуются колонны причудливой формы. Прекрасные многоярусные пещеры есть в горах Крыма, где они сформировались в мощных толщах известняков верхней юры; в Чехии, Словении, на Урале, Кавказе и в других местах.

До сих пор речь шла об открытом карсте. Однако во многих районах, особенно платформенных, где развит закрытый карст. Встречаются т.н. суффозионные воронки (лат. «суффозио» – подкапывание). Они возникают в том случае, когда из толщи отложений, перекрывающих карстовые формы, начинается процесс вымывания в карстовые полости. Постепенно на месте этой толщи образуется воронка, а еще ниже – полости, куда эти отложения и могут провалиться (рис. 8.1.3).

Рис. 8.1.3. Суффозионная воронка в низовьях р.Пахры (фото З.Виноградова)

Карстовые формы развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы – известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли. В пределах Русской плиты широко развит покрытый карст, т.к. известняки карбона и девона повсеместно перекрыты моренными и флювиогляциальными четвертичными отложениями. Встречается также и древний карст, например, под Москвой, где в карстовых формах на поверхности

каменноугольных известняков карманами залегает глинистая верхняя юра. В течение перми, триаса, ранней и средней юры этот район был сушей, и на ней интенсивно происходило карстообразование.

Гипсовый карст развит на северных склонах Уфимского плато в Башкирии, где распространены нижнепермские красноцветные породы с прослоями гипсов, доломитов. Карстовые котловины там имеют глубины до 100 м и в диаметре до первых километров. Пещеры гипсового карста в Приднестровье имеют протяженность в 142,5 км (пещера Оптимистическая), занимая 2-ое место в Мире. Знаменитая Кунгурская «ледяная» пещера в Пермской области в Приуралье имеет в длину 5,6 км и образована в гипсах и ангидритах кунгурского яруса нижней перми. Она славится своими гротами длиной до 150-160 м с ледяными потолками на сводах и полу.

Рис. 8.1.4. а) карры в ущелье Кульсу. (фото Н.А. Гвоздецкого); б) развитие карров и каррового ландшафта ( фото В.Б. Бондарчука); в) деталь каррового поля