25114 (Строение подземной гидросферы), страница 2

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных участках территории до 200-250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней – уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,

3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,

5 – уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 – верховодка

По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.

В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные воды первого водоносного горизонта имеют непосредственную гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].

1.3 Криолитозона

Территория, на которой распространены многолетнемерзлые породы, называется криолитозона ( от греч. «криос» − холод, «литос» − камень, порода). Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород.

1) мерзлые породы содержат в своем составе лед,

2) морозные − породы с t < 0 ºС, в которых отсутствуют лед и вода ( это чаще магматические и метаморфические породы и их разновидности),

3) охлажденные породы имеют t ниже 0 ºС и насыщены солеными водами.

Данная зона выделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости от строения гидрогеологического разреза земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения [5, 6, 7].

Рис. 3 Схема залегания различных по отношению к многолетнемерзлым породам типов подземных вод:

А – надмерзлотные воды сезонно-талого слоя; Б – воды сквозного дождевально-радиационного талика; В – надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г – воды сквозного подруслового талика; Е – межмерзлотные воды; Ж – подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З – подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И – подмерзлотные воды контактирующие напорные; К – надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного талика; 1 – изверженные трещиноватые породы; 2 – щебень и дресва; 3 – суглинки; 4 – пески, галечники; 5 – многолетнемерзлые породы и их граница; 6 – обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 – направление движения подземных вод; 8 – подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 – скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод

Мощность криолитозоны в зависимости от климатических условий местности (главным образом среднегодовые температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000 – 1500 м и более (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).

В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С.

Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах [1, 3, 5].

1.4 Зона полного насыщения

Эта зона охватывает верхнюю часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8-20 км, на которых по существующим представлениям температура и давление водных растворов достигают критических значений.

В пределах зоны полного насыщения (в соответствии с ее названием) свободное пространство в минеральном скелете горных пород (поры, трещины, крупные пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной водой и водой, физически связанной с поверхностью минеральных частиц горной породы, за исключением участков, свободное пространство которых заполнено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью [1, 3, 4].

Положение нижней границы зоны полного насыщения обосновывается в настоящее время только исходя из представлений о термодинамических условиях разреза земной коры и фазово-агрегатном состоянии воды при высоких давлениях и температурах, поскольку эта граница пока не вскрыта буровыми скважинами.

Материалы Кольской сверхглубокой скважины свидетельствуют о том, что на глубинах до 12 км существуют условия, характерные для зоны полного насыщения. В то же время в связи с наличием представлений о надкритическом состоянии воды в магматических расплавах можно предполагать, что в областях современного вулканизма нижняя граница зоны полного насыщения может располагаться на значительно меньших глубинах (Пиннекер, 1983).

По имеющимся данным в ряде районов современного вулканизма парогидротермы с температурами, близкими к критическим значениям (до 300°С и более), вскрыты буровыми скважинами на глубинах 1500-2000 м (Мексика, Сьерра-Прието, скважина глубиной 1500 м, температура воды 388°С).

1.5 Зона подземных вод в надкритическом состоянии

Нижняя часть разреза земной коры до границы с верхней мантией рассматривается в настоящее время как зона, содержащая подземные воды в надкритическом состоянии. Мощность этой зоны в пределах континентов достигает, вероятно, 20-30 км и более (Всеволожский, 2007).

Водой в надкритическом состоянии называются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374°С, давление − 2,2∙10⁴ кПа.

При высоких концентрациях растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450°С. давление − до 3,5∙10⁴ кПа. При этих условиях вода характеризуется пониженными значениями вязкости, уменьшением величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования (Крайнов, 2004).

По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магм и с процессами термо- и динамометаморфизма.

При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что по существующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5−2,0 раза (Всеволожский, 1980).

Движение подземных вод в земной коре является составной частью общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи [1, 3, 4].

В качестве основных видов единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре − гидрогеологический и геологический (рис. 4).

Рис. 4 Взаимосвязь гидрогеологического и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)

2. Геологическая деятельность подземных вод

2.1 Разрушительная деятельность

В противоположность водам поверхностным подземные воды очень активны в гидрохимическом отношении, т.е. являются сильными растворителями различных горных пород и минералов. Одновременно с процессами разрушения огромных толщ пород, возникновением пустот, миграцией и выносом солей происходит и созидательный процесс – образование новых минеральных агрегатов; из-за испарения водных растворов возникает засоление почв, в областях, избыточно увлажненных, происходит заболачивание – возникают торфяники (Толстой, 1976).

В результате разрушения и растворения пород образуются карстовые формы, просадки, иногда оползни. Из новообразований следует отметить возникновение различных натечных форм сталактитов, сталагмитов, отложение хемогенных осадков, известкового туфа, гажи, травертина, гейзерита, образование грязевых вулканов и т.д.

Выщелачивание подземными водами легкорастворимых пород (карбонаты, гипс, соли) с образованием на глубине пустот, а на поверхности воронок называется карстом. Наименование этого своеобразного явления произошло от названия известнякового плато в Югославии – Карст.

Для развития карста необходимы следующие условия:

1)наличие значительной толщи легкорастворимых трещиноватых пород без прослоев глин;

2) выщелачиваемый массив должен быть достаточно высоким, его поверхность горизонтальна, чтобы вода могла бы застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам;

3) уровень подземных вод должен быть глубоким, чтобы воды имели достаточно пространства для вертикального движения

Карст характеризуется своеобразными формами рельефа – воронками, колодцами, пещерами. Например, блюдцеобразные воронки широко распространены в Татарстане, принося большой вред сельскому хозяйству. Пещер много в Горном Крыму, на Кавказе, в Приуралье (Кунгурская пещера), в Венгрии, во Франции.

Оползнями называют смещение земляных масс под влиянием сил тяжести без нарушения связности пород и движение их по склону. Поверхностные смещения пород с нарушением структуры и текстуры называют оплывами. Главными причинами образования оползней являются:

1) подмыв берега рекой или морем (боковая эрозия);

2) большое количество атмосферных осадков;

3) механический вынос мелких частиц подземными и поверхностными водами (механическая суффозия);

4) изменение влажности глинистых пород на склоне;

5) тектоническая трещиноватость;

6) процессы выветривания;

7) землетрясения;

8) деятельность человека

Оползневые процессы изучаются специальными оползневыми станциями, расположенными в районах, подверженных оползням.

Вследствие подъема и испарения грунтовых вод в поверхностных отложениях возникают различные новообразования (кальцит, гипс) и происходит засоление почв. Засоление почв широко развито в областях с сухим климатом, слабым оттоком грунтовых вод, где проводится орошаемое земледелие.

Широко распространен в природе процесс, связанный с изменением водного режима почв из-за застаивания почвенных или поднятия грунтовых вод – заболачивание.

Происходит оно в районах избыточно влажных, с большим количеством атмосферных осадков, со слабым поверхностным стоком и близким залеганием к поверхности водоупорных слоев. Для борьбы с заболачиванием производятся сброс поверхностных вод и различные дренажные работы [2, 5, 8].

2.2 Созидательная деятельность

В местах выхода подземных вод, богатых углекислотой, часто образуются новообразования в виде отложений известкового туфа СаСО3.

Например, при обследовании в Республике Татарстан свыше 3600 родников оказалось, что в 75 из них происходит отложение известкового туфа. Воды, в которых происходит выпадение карбоната кальция, имеют плотный остаток от 250 до 484 мг/г, сильно насыщены CaCO3, температура их 5,5–6,0 °С. Расход незначителен до 10 л/с [2, 4].

Все родники, откладывающие известковый туф, располагаются там на высоте 2 м от основания коренного склона и приурочены к пермским отложениям. Углекислота находится в равновесии с Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Очевидно, что нарушение устойчивости Ca(HCO3)2 происходит лишь в условиях выделения углекислого газа. Выделение же возможно в условиях усиленного испарения, а для последнего необходим некоторый перепад воды для возникновения вихревого (турбулентного) движения, что и наблюдается в местах выхода подземных вод вследствие нарушения устойчивости Ca(HCO3)2: