Конспект лекций по геологии

Особое внимание необходимо обратить на эксплуатацию зданий и сооружений на оползнеопасных склонах. Примером недальновидных действий на подобных территориях может послужить причина развития оползня на восточном склоне Полтавского плато в с. Червоный Шлях. На рис. 3.32, а показан план участка, где обозначены границы оползня, водопровод и овраг, через который идет разгрузка грунтовых вод с плато. На рис. 3.23, б представлен разрез оползня, на котором видно, что водоупор имеет наклон от склона в сторону оврага. Раньше уровень грунтовых вод был ниже и они не переливались на склон. Со временем в процессе застройки территории началось засыпание оврага грунтом. Сейчас он на 2/3 засыпан и превращен в огород. Дренирование грунтовых вод на этом участке плато уменьшилось, уровень их начал подниматься, положение усугубляли потери воды из водопровода. Наступил момент, когда грунтовые воды вышли на склон. Это и стало причиной формирования оползня. Исправить ситуацию удалось путем сооружения дренажа по дну засыпанного оврага.

а	143,40	б	І-І
2

1	3
І	І

137,00

136,00

Рис. 3.32. Схема развития оползня в районе с. Червоный Шлях: а – план; б – разрез по І-І; 1 – овраг разгрузки грунтовых вод; 2 – водопровод; 3 – границы оползня

Таким образом, прогнозируя оползневые процессы, необходимо получить детальные данные об особенностях геоморфологического и геологического строения склона, напластования грунтов, оценить физико-механические характеристики грунта и определить положение поверхности его скольжения по склону с точки зрения классификационных особенностей оползня. Дополнительно необходимо предусмотреть изменения режима подземных вод, а также учесть возможные техногенные вмешательства.

Вопросы для самоконтроля

1.Как называют процесс разрушения горных пород движущейся водой?

2.Какие отложения формируются вследствие движения ледников?

3.Как принято называть кратковременные горные потоки поверхностных вод, которые несут огромное количество обломочного материала?

81

4.Какие методы борьбы с оползнями относятся к активным?

5.Какое название носят продукты выветривания, которые остались на месте их образования?

6.Как называются песчаные холмы, образованные ветром на берегу моря?

7.Дайте определение разрушению морских берегов волнами прибоя.

8.Какое название имеет поверхность, где произошел отрыв и смещение массы грунта на склоне?

9.Как называют часть волноподобной террасы от уреза воды до береговой стенки?

10.Какие продукты смывания дождевыми и талыми водам откладываются в нижней части склона и около его подножья?

11.Какой след оставляют временные потоки на склонах?

12.Как принято называть процесс вынесения из грунта мельчайших и мелких минеральных частиц вместе с фильтрующейся подземной водой?

13.Как называются смещения масс грунта на склонах под влиянием сил веса?

14.Какие методы борьбы с оползнями относятся к пассивным?

15.Какое название носит минерал, отложенный рекою в пределах долины или в дельте?

16.В каком месте откладывается дельтовый аллювий?

17.Назовите продукты селевых потоков, которые образовались у подножья гор.

18.Как принято называть песчаные холмы, образованные ветром в пустыне?

19.Какое название носит минерал, который переносится ветром, выпадает и со временем накапливается?

20.Как называется процесс разрушения морских берегов волнами прибоя?

21.Вследствие какого разрывного движения земной коры образовалось озеро Байкал?

22.Какие отложения формируются вследствие движения ледника?

23.К каким отложениям относится ленточная глина?

24.Как называется процесс превращения осадочных пород в породы скального типа?

25.Какое природное явление называют ледником?

26.Дайте определение процесса, связанного с воздействием движущихся подземных вод, что приводит к растворению скальных грунтов и образованию пустот.

27.Как называют процесс переноса мелких частиц ветром?

28.Какое название носят насыщенные водой грунты, которые при определенных условиях переходят в текучее состояние?

82

ЛЕКЦИЯ 4

ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить законы фильтрации, методы определения дебитов совершенного и несовершенного колодцев, траншей, котлованов

ивзаимодействие водозаборов

4.1.Круговорот воды в природе

Вода – одно из наиболее распространенных веществ на земном шаре. Она является составной частью большинства оболочек Земли. Вода, которая входит

всостав живых организмов, является неотъемлемой частью биосферы. В виде пара, жидкости и в твердом состоянии мы можем найти ее в литосфере и атмосфере. Но обычно основная масса воды сосредоточена в гидросфере.

Как видно из таблицы 4.1, в атмосфере одновременно находится около 14 тыс. км3 воды. С поверхности земного шара ежегодно испаряется и возвращается на него в виде осадков 510 – 520 тыс. км3 воды, то есть в среднем каждые 10 суток вся вода в атмосфере заменяется. Этот переход воды из одной сферы в другую и называется круговоротом. Испаряясь с поверхности океанов, морей, озер, рек, суши и растительного покрова (этот процесс называется транспирацией) под действием солнечных лучей или других факторов, вода переходит в атмосферу в виде пара. Далее в процессе перемещения воздушных масс пар переносится, а при определенных условиях сгущается и выпадает на землю в виде дождя, снега, града и др. Осадки также могут образовываться непосредственно на поверхности земли вследствие снижения температуры воздуха до точки росы (роса, иней, изморозь и т. п.). Количество осадков, измеряемое толщиной слоя воды, которая выпала в мм, очень неравномерно распределено на земном шаре. Так некоторые районы Непала и Индии получают по 12000 – 16000 мм (иногда до 20000 мм) в год, а пустыня Атаками

вЧили – всего лишь 1 – 7 мм в год. Лишь около 20 % выпавшей с осадками воды, идет в стоки, 20 % инфильтруется в толщу горных пород, а 60 % возвращается в атмосферу, испаряясь. С этой точки зрения интересно наблюдать так называемые «сухие» дожди в районах с жарким климатом, когда дождевая вода испаряется раньше, чем капли достигнут поверхности земли.

Прежде всего необходимо выделить, какие круговороты осуществляет вода. Большим называется круговорот, при котором часть водного пара, образованного в результате испарения воды морей и океанов, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков и стекает снова в моря и океаны в виде поверхностного и подземного стоков. При малом круговороте часть воды, испарившаяся с поверхности морей и океанов, выпадает здесь же в виде осадков. Внутренний (материковый) круговорот обеспечивается водой, которая испаряется из рек, озер, суши и там же выпадает в виде осадков (рис.4.1).

83

			Таблица 4.1
	Распределение воды в гидросфере
	Часть гидросферы	Объем воды,	Часть от общего
		тыс. км3	объема, %
	Мировой океан	1 370 323	93,96
	Подземные воды,	60 000	4,12
	в том числе в зоне активного обмена	4 000	0,27
	Ледники	24 000	1,65
	Озера	280*	0,019
	Грунтовая влага	85**	0,006
	Пар атмосферы	14	0,001
	Речные воды	1,2	0,0001
	Всего	1454703	≈100

*в т.ч. около 5 тыс. км3 воды в водохранилищах;

**в т.ч. около 2 тыс. км3 воды в оросительных системах.

Перенос	Перенос
ветром	ветром

Поверхностный сток

Подземный сток

Испарение

Осадки

Рис. 4.1. Схема круговорота воды в природе

Как было сказано выше, часть воды инфильтруется в толщу горных пород и достигает уровня подземных вод. На пониженных местностях подземные воды выходят на поверхность в виде источников, болот. Таким образом, в общий круговорот включаются и подземные воды.

84

4.2. Происхождение и формирование подземных вод

Оценить запасы подземных вод довольно сложно, поэтому, по данным разных ученых, их количество может значительно колебаться. Например, Н.А. Плотников оценивает запасы подземных вод в 100 млн км3. Большинство исследователей сходятся на величине около 60 млн км3.

Конечно, человечество давно стремилось выяснить происхождение подземных вод. Поскольку процесс инфильтрации распространен почти всюду, то одной из первых теорий их происхождения стала инфильтрационная. Впервые она появилась в I в. до н. э. (в работах Марка Витрувия Поллио). Значительное распространение она получила в XVII – XVIII в. благодаря изысканиям Б. Палисси, Э. Мариотта, М.В. Ломоносова и других ученых того времени.

Однако еще раньше, в IV в. до н. э., древнегреческий философ Аристотель высказал мысль, что, хотя источником всех вод на Земле есть атмосфера, питание рек происходит двояким путем: во-первых, за счет дождевых вод, во-вторых, главным образом водами, которые образуются в многочисленных земных холодных пустотах путем конденсации в них паров воздуха, поступающего из атмосферы. Итак, Аристотель стал основоположником конденсационной теории. В XIX в. эту теорию развивал О. Фольгер, тем не менее широкое распространение она приобрела лишь после широкомасштабных экспериментов и наблюдений, проведенных А.Ф. Лебедевым в 1907 – 1919 гг. По теории Фольгера, атмосферный воздух проникает в поры грунта и, сталкиваясь с холодной поверхностью частиц, отдает им часть своей влаги. Лебедев А.Ф. же доказал, что происходит миграция не атмосферного воздуха, а лишь водяного пара за счет разности его упругости в атмосферном и в грунтовом воздухе.

Современными исследованиями установлено, что основным видом питания подземных вод, которые находятся в зоне активного водообмена, является инфильтрация осадков, поскольку за счет конденсации грунт получает лишь несколько десятков миллиметров воды в год.

Впоследние годы почти все ученые рассматривают конденсационную теорию совместно с инфильтрационной, поскольку влага в этих видах питания имеет атмосферное происхождение. Между тем, эти теории не могут объяснить происхождения высокоминерализованных вод и рассолов в глубоких пластах осадочных толщ. По этой причине возникла так называемая седиментационная теория происхождения подземных вод. Согласно этой теории, высокоминерализованные воды в породах – это остаточные (реликтовые) воды старинных морей, которые образовалось одновременно с отложениями осадков в морских бассейнах и в настоящее время сохранили свой состав в неизменном виде. Эта теория имеет еще название реликтовой.

В1902 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс предложил ювенильную теорию происхождения подземных вод. В соответствии с этой теорией, образование подземных вод происходит за счет выделения пара из магмы, который, конденсируясь, поднимается по глубоким тектоническим трещинам и разломам

ипоявляется на поверхности в виде минеральных источников. Исследования

85

показывают, что в магме находится 0,5 – 8 % (а в некоторых случаях до 15 %) воды. По данным голландского ученого Ф. Кюэнена, ежегодно из недр Земли поступает около 0,4 км3 ювенильных вод. Однако, принимая во внимание некоторые теории формирования Земли как планеты, можно сделать предположение, что почти все воды имеют ювенильное происхождение. Исключение составляет вода, которая образуется за счет потока космических частиц. При этом протоны захватывают в верхних пластах атмосферы электроны и превращаются в атомы водорода, которые вступают в реакцию с кислородом и образуют воду. По данным Л.С. Абрамова, таким образом получается около 1,5 км3 воды в год, выпадающей в виде осадков на Землю. С другой стороны, под действием космического излучения молекулы воды, которые попали в высокие слои атмосферы, распадаются на ионы и частично теряются в открытом космосе, преодолевая силу тяготения Земли.

Наибольший интерес, конечно, вызывают воды, которые находятся в верхних пластах земной коры, так как именно с ними приходится иметь дело строителям. Накопление подземных вод можно представить как динамический процесс их образования под действием силы тяжести, капиллярных и молекулярных сил вблизи поверхности Земли. Так, во время наводнения речные воды просачиваются в аллювиальные отложения и вызывают подъем уровня грунтовых вод. Таким образом появляются пресные подземные воды. Во время мелиорации земель возникают пласты пресных вод, которые плавают сверху соленых, а результатом растворения пластов соли является появление соленых и рассольных вод. Накопление вод может происходить и другим путем.

Формирование химического состава подземных вод – это продолжительный физико-химический процесс их преобразования, который проходит на разной глубине, в условиях разных температур и давления, испарения, сопровождается конденсацией и другими явлениями.

4.3. Виды воды в порах горных пород

Поры и трещины горных пород всегда содержат воду в газообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют разнообразные классификации видов воды в горных породах.

В инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А.Ф. Лебедевым (1930), а потом уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характера физикохимического взаимодействия воды с минеральными частицами пород.

Таким образом, имеем современный вариант классификации А.Ф. Лебедева:

1.Вода в состоянии пара (водный пар)

2.Свободная вода:

-гравитационная;

-капиллярная.

86

3.Физически связанная вода:

-крепкосвязанная – адсорбированная (гигроскопическая) вода;

-слабосвязанная (пленочная) вода.

4.Вода в твердом состоянии (лед).

5.Вода в кристаллической решетке минералов (химически связанная):

-конституционная;

-кристаллизационная;

-цеолитная.

Водяной пар заполняет поры песчано-глинистых и крупнообломочных пород, а также трещины и пустоты скальных пород. Здесь воздух обычно насыщен парами воды, то есть имеет относительную влажность 100 % или близкую к тому. Под влиянием изменения температуры и давления пар может конденсироваться и, наоборот, жидкая вода превращаться в пар. Пар перемещается из мест с более высокой температурой в места с более низкой температурой, где упругость водных паров меньше. В связи с этим зимой движение пара направлено к верхним слоям горных пород, а летом – наоборот, вглубь земли. Тем самым пар воды в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с паром воды в атмосфере.

Свободная гравитационная вода – это подземная жидкость, которая движется в порах и трещинах горных пород под действием силы гравитации. Гравитационная вода имеет все свойства, которые присущи обычной воде: способность растворять, передавать гидростатическое давление, во время движения вызывать гидродинамические силы, которые влияют на минеральные частицы пород. Гидростатическое давление воды, которая находится в порах породы, уменьшает массу ее скелета соответственно закону Архимеда, а также создает давление на подошву фундаментов сооружений, построенных ниже уровня грунтовых вод.

Свободная капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты и тончайшие трещины в породах. Она поднимается от уровня грунтовых вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой. Высота капиллярного поднятия воды достигает в песках 0,15 – 1,0 м, в суглинках 2 – 4 м, в глинах 5 – 20 м. В определенных условиях вода может заполнять капилляры, не имея непосредственной связи с уровнем подземных вод. Такие воды, в отличие от капиллярно поднятых, называются капиллярно подвешенными.

Физически связанная вода может быть крепко связанной (гигроско-

пической) и слабо связанной (пленочной). Гигроскопической водой называют ту, которая образовалась в процессе конденсации водяного пара путем адсорбирования ее минеральными частицами. Гигроскопическая вода не подлежит влиянию силы гравитации, не передает гидростатического давления, не имеет способности растворять вещества. Она имеет плотность до 1,7 т/м3 и не замер-

87

зает при температуре до минус 78 ºС. При нагревании породы до температуры 105 ºС гигроскопическая вода полностью удаляется.

Различают неполную и максимальную гигроскопичность. При макси-

мальной гигроскопичности вода покрывает всю поверхность частиц тонкой пленкой толщиной до 0,008 мкм. Последние исследования дали возможность выделить два слоя крепко связанной воды. Первый, который непосредственно прилегает к частице породы, обычно наблюдается при влажности, близкой к неполной гигроскопичности. Второй – (неподвижный по мнению Б.В. Дерягина) имеет толщину 1 – 3 молекулы, состоит из ориентированных молекул, а при увлажнении выделяет теплоту. По своим свойствам эта вода близка к твердому телу. Этот слой воды имеет четко выраженную границу, которая отделяет его от следующего «верхнего» слоя также крепко связанной воды. Его толщина составляет несколько молекул, ориентация которых менее соблюдена, а тепло при увлажнении не выделяется. Этот слой еще называют сольватным, или осмотическим, что соответствует влажности породы, равной максимальной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность обусловлена величиной минеральных частиц, из которых состоит горная порода, и составляет в песках

– до 1%, в суглинках – до 7%, в глинах – до 21% массы частиц. Гигроскопическую воду не могут усваивать растения (рис.4.2).

Пленочная вода, как и гигроскопическая, покрывает поверхности минеральных частиц глинистых пород пленкой толщиной 0,25 – 0,5 мкм. Эта вода также может быть отделена от частиц только путем высушивания. Образование пленочной воды не сопровождается выделением теплоты увлажнения. Она может перемещаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки независимо от действия силы гравитации. Скорость движения ее зависит от температуры, а способность растворять существенно снижена, причем пленочная вода замерзает при температуре ниже нуля, а гидростатического давления передавать не может.

В классификации А.Ф. Лебедева гигроскопическая вода вместе с пленочной называется молекулярной водой. Самое большое количество такой воды, которое удерживается горной породой, называется максимальной моле-

кулярной влагоемкостью. Она составляет в песках 1 – 7 %, в супесях 9 – 13 %, в суглинках 15 – 23 %, в глинах 25 – 44 % массы частиц.

Молекулярная вода удерживается на поверхности минеральных частиц за счет электромолекулярных сил. Рассмотрим механизм действия этих сил. Диэлектрическая постоянная воды значительно больше диэлектрической постоянной минеральных частиц. По этой причине при столкновении минеральной частицы с водой последняя получает отрицательный электрический заряд, а вокруг нее возникает электрическое поле. В то же время молекулы воды – это диполи с положительными ионами водорода и отрицательными ионами кислорода. Попадая в электрическое поле минеральных частиц, диполи воды притягиваются к их поверхности и ориентируются в электрическом поле определенным образом (рис. 4.3). Так возникают слои связанной воды. Эффекты, сопровождающие образование гигроскопической и пленочной воды, проявляются

88

тем сильнее, чем мельче минеральные частицы. Это объясняется тем, что суммарная площадь поверхности частиц в 1 см3, или удельная поверхность, увеличивается с уменьшением их размера. Если сторона кубика равняется 1 см, то площадь его поверхности составляет 6 см2, а при размере стороны кубика 0,0001 см количество кубиков в 1 см3 будет равно 1012 при общей площади поверхности 60000 см2 (6 м2). Этим можно объяснить то обстоятельство, что породы, которые содержат в себе даже небольшое количество глинистых частиц, приобретают свойства, присущие собственно глинистым породам.

1	а
2	б
3
4
	в
5
	РГВ
	6
	г

Рис 4.2. Схема распределения видов воды

вгорных породах:

а– атмосфера; б – воздушно-сухая порода; в – влажная порода; г – порода, насыщенная водой; 1, 2 – частицы

снеполной гигроскопичностью; 3 – частицы с полной гигроскопичностью; 4, 5 – частицы с пленочной водой;

6 – гравитационная вода

Рис. 4.3. Действие электромолекулярных сил в системе

«минеральная частица – вода»:

1 – минеральная частица; 2 – гигроскопичная вода; 3 – пленочная вода; 4 – свободная вода; 5 – катионы; 6 – диполи воды

6

5

	2
	3
1	4
0	h
	<0,5 мкм

Какое же соотношение существует между связанной и свободной водой в породах? В песках, где удельная поверхность небольшая, вода преимущественно находится в свободном виде. В глинистых породах – супесях, суглинках

– почти вся, а в глинах вся вода – связанная. Это обстоятельство следует учитывать, проектируя водопонижение, дренаж и водозаборы. Так устройство

89

дренажа в глинах неэффективно из-за того, что вода, будучи связанной, не отделяется от минеральных частиц.

Вэлектрическом поле минеральных частиц есть не только диполи воды,

аи катионы разных веществ, которые ориентируют диполи воды. Таким образом, можно говорить об оболочках водно-коллоидного типа вокруг минеральных частиц. Такие оболочки играют важную роль в обеспечении связности глинистых пород.

Вода в твердом состоянии образуется при температуре пород ниже нуля, если гравитационная вода и часть связанной воды замерзают и находятся в породах в виде кристаллов, линз, прослоек, жил или значительных массивов льда. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличаются от свойств талых пород. Изучением первых занимается отдельная наука – мерзлотоведение.

Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки мине-

ралов в виде ионов, OH , H3O и других, как ее составляющая, например, Ca(OH)2 . Причем из минералов гидроксильные группы могут быть удалены

лишь при нагревании до температуры от 300 до 1000ºС. При разрушении кристаллической решетки минералов ионы реагируют между собой, образуя молекулы воды.

Кристаллизационная вода принимает участие в построении кристаллической решетки некоторых минералов в виде молекул H2O , например гипс CaSO4 2H2O , мирабилит Na2SO4 10H2O и др. Эта вода может быть удалена,

как и конституционная, нагреванием (до температуры ниже 300 ºС), что приводит к разрушению кристаллической решетки и ее перестройки (например, гипс превращается в ангидрит).

Цеолитная вода – это часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и снова поглощаться минералом без разрушения кристаллической решетки. Она входит в состав кристаллической решетки некоторых минераловцеолитов, которые являются представителями водных алюмосиликатов.

4.4. Физические свойства, химический и бактериальный состав подземных вод и их агрессивность

К физическим свойствам подземных вод принято относить температуру,

плотность, прозрачность, цвет, запах, вкус и привкус, электропроводность, радиоактивность, сжимаемость и вязкость (ГОСТ 18963-73).

Температура подземных вод изменяется в довольно широких пределах что зависит от геологического строения, физико-географических условий и режима питания первых. В зависимости от температуры воды делятся на холод-

ные (с температурой ниже 20 ºС), теплые (20 – 37ºС), горячие (37 – 42ºС)

и очень горячие (гипертермальные, их температура превышает 42ºС). В зонах распространения вечной мерзлоты высокоминерализованные воды могут иметь

90