1. 9. Геологическая деятельность подземных вод

Главными факторами, определяющими работу подземных вод, являются особенности физического состояния, режима и движения подземных вод, их химический состав и температура, а также минералогический состав соприкасающихся с ними горных пород и временной фактор. Степень влияния названных факторов зависит от множества причин, среди которых первостепенное значение имеют геологическое строение территории, рельеф и климат.

По физическому состояниювыделяют семь видов подземных вод: парообразную, гигроскопическую, пленочную, капиллярную, капельно-жидкую, твердую, кристаллизационную. Из них наибольший объем работы производит капельно-жидкая вода, а в зонах многолетней мерзлоты и на территориях сезонного промерзания грунтов огромно значение подземных льдов.

Движение капельно-жидких подземных вод зависит, в первую очередь, от условий их залегания и состава водоносных пород. Главным типом движения вод, залегающих в рыхлых горных породах, является ламинарное (медленное параллельно-струйное). В силу этого ведущим эрозионным фактором является растворение горных пород, а основным способом транспортировки – перенос в растворенном виде.

Химический состав подземных вод определяется их происхождением, режимом и составом вмещающих пород.

По содержанию растворенных веществ подземные воды варьируют от пресных до рассолов. Конкретный гидрохимический класс подземных вод устанавливается по концентрации преобладающих анионов и катионов.

По составу анионов выделяют три главных класса подземных вод: гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и ряд промежуточных классов.

По составу катионов каждый класс может быть кальциевым, натриевым, магниевым или смешанным. В отдельную группу выделяют имеющие лечебное значение минеральные воды. Таким образом, химическая агрессивность подземных вод проявляется по-разному, в зависимости от состава взаимодействующих с ними горных пород или техногенных сооружений. Например, повышенное содержание в водах углекислоты способствует активизации растворения карбонатов. Перенасыщение подземных вод растворенными веществами ведет к выпадению последних в осадок и формированию разнообразных отложений.

Температура подземных вод зависит от тектонических особенностей и глубины залегания, а также от климата территории (для грунтовых вод). По температуре подземные воды разделяют на холодные (до 20 °С), теплые (до 37 °С), термальные (до 42 °С), гипертермальные (более 42 °С). С ростом температуры агрессивность подземных вод увеличивается.

Минералогический состав горных пород влияет на их растворяющую деятельность. Среди горных пород легкостью растворения выделяются каменная и калийная соли, гипс, карбонатные породы. Легче всего растворяется каменная соль – при нормальных температурах и давлении в одном литре воды растворяется до 350 г NaCl. Сравнительно легко растворяется гипс – одна часть в 380–480 частях воды. Несколько хуже растворяется ангидрит – одна часть в 500–550 частях воды. В карбонатных породах необходимым условием растворения выступает наличие в воде углекислоты. При нормальной температуре и давлении 10 тыс. частей кислой воды растворят 10 частей известняка и 3 части доломита.

Геологическая работа подземных вод ярче всего проявляется в процессах карста и суффозии.

Карст – это совокупность геологических процессов, обусловленных растворением и размывом горных пород движущимися водами, ведущих к образованию отрицательных форм рельефа на поверхности Земли и различных пустот на глубине. Термин происходит от названия расположенного в Словении плато Крас (Kraz), на территории которого широко представлены карстовые процессы и формы. Принято различать карст карбонатный, соляной, гипсовый. Соли и гипс растворяются легче всего, но встречаются редко – наиболее распространен карбонатный карст. Карстовые формы подразделяются на поверхностные (открытые) и подземные (закрытые).

Вначале развивается поверхностный карст. Его мельчайшие формы – карры – борозды, рытвины и разной формы углубления, возникшие на обнажающейся поверхности растворимых горных пород. Карры образуются под действием атмосферных осадков, достигают 1–2 м в глубину. Иногда карры занимают большие площади, делая территорию труднопроходимой, – так возникают карровые поля.

Поскольку карбонатные породы в большей или меньшей степени трещиноваты, рост карров сопровождается размывом и расширением трещин. Так образуются поноры – наклонные или вертикальные колодцы, по которым поверхностные воды уходят под землю.

Дальнейшее развитие этих процессов ведет к возникновению карстовых воронок – обширных углублений, диаметром до 100 м и больше, и глубиной до 20 м. Если воронка образовалась благодаря слиянию карров и расширению верхней части понор, то склоны ее будут пологими. При образовании карстовой воронки в результате обрушения свода подземной карстовой пустоты склоны могут достигать значительной крутизны.

Разрастание карстовых воронок или обрушение кровли крупной карстовой полости ведет к формированию карстовых котловин и польев, имеющих вид замкнутых понижений с плоским дном и крутыми склонами, высотой до нескольких сот метров. Площадь крупнейших польев достигает нескольких сот квадратных километров (Ливаньско полье в Боснии площадью более 379 км²).

Расширение и углубление понор и трещин влечет образование карстовых колодцев, шахт и пропастей – наклонных или вертикальных форм, глубиной до километра и более. В результате поверхностного карста русло реки может нырнуть в понор или трещину – возникают слепые долины рек.

Развитие подземного карста начинается, когда формы открытого карста позволят поверхностным водам проникать под землю, растворяя породы, перекрытые слоями нерастворимых отложений.

Величайшими из подземных форм являются карстовые пещеры, возникающие как в горах, так и на равнинах. Пещеры представляют собой системы наклонных и горизонтальных туннелей, соединяющихся друг с другом, часто располагающихся на нескольких вертикальных уровнях. В лабиринтах переходов из-за растворения, размыва пород или обрушения кровли образуются гигантские по площади и высоте залы (гроты). Крупнейшая на Земле система карстовых пещер Флинт–Мамонтова (штат Кентукки, США) имеет суммарную протяженность более 485 км. Один из залов системы пещер Карлсбадского национального парка (штат Нью-Мексико, США) достигает длины 1 200 м, ширины 190 м, высоты 90 м.

Аккумулятивная работа подземных вод в карстовых районах проявляется, в первую очередь, в образовании всевозможных натечных форм. Выпавшие на поверхность Земли атмосферные осадки содержат много растворенного углекислого газа, поэтому, просачиваясь по трещинам, легко растворяют известняки и насыщаются бикарбонатом: CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂. После выхода воды на стенки или потолок пещеры, часть углекислоты испаряется, и бикарбонат переходит в карбонат кальция. Последний частично выпадает в осадок, давая начало образованию сталактитов, занавесей, фестонов и других форм, свисающих со свода пещеры. Остатки карбоната кальция выделяются из упавшей капли воды на полу пещеры. Тогда снизу вверх идет рост сталагмитов. Если сталактит срастается со сталагмитом, то возникает сталагнат, или колонна. Кроме того, на дне пещер или в местах выхода на поверхность источников, берущих начало в карстующихся породах, накапливаются пористые, губчатые известковые туфы (травертины). В областях древнего карста на дне воронок и пещер накапливаются нерастворимые глинистые остатки карбонатов, обогащенные красноцветными гидроокислами железа и алюминия. Такие плодородные образования называют «терра-росса» (от итал. terra rossa – красная земля). И наконец, на дне пещер встречаются отложения пещерных рек и озер, а также обвально-осыпные отложения. В холодном климате возможно образование ледяных натечных форм в пещерах. С деятельностью гипертермальных подземных вод связано накопление кремнистых туфов (гейзеритов), месторождений некоторых цветных металлов.

Суффозионные процессы (от латин. suffossio – подкапывание) осуществляются подземными водами и заключаются в выщелачивании растворимых соединений (хлоридных, сульфатных, карбонатных) и выносе тонкодисперсных частиц из поверхностных отложений. В поверхностных отложениях возникают пустоты, породы разрыхляются и проседают. В результате на поверхности образуются замкнутые отрицательные формы рельефа: суффозионные западины, блюдца, воронки.