Подземные воды

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности

Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней

части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень

тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут

существовать без обмена с водой поверхностной и активно участвуют в круговороте воды

в природе.

Структура и свойства воды определяется строением ее молекулы – Н2О в виде

тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер

тетраэдра расположены два положительных заряда ядер атомов водорода, что составляет

гидроль или элементарную дополнительную структурную единицу воды.

Виды подземных вод

1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых

минералов, например, в гипсе – CaSO4·2H2O ( .21% воды по массе), мирабилите

Na2SO4.10H2O (.56% воды по массе

2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и

прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся

в почве.

3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах почвы.

4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на

поверхности мельчайших частиц таких пород, как глины и суглинки. Эта пленка

удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы

5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев

молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от

более толстой пленке к менее толстой.

6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно

перемещаться в почвах по трещинам и порам под действием силы тяжести,

начиная с верхнего почвенного слоя.

7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5 – 3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.

Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капилярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных

горизонтов суглинков и глин.

Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может

присутствовать и в виде льда.

Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой

между атмосферой и гидросферой.

Классифицировать подземные воды можно по разным признакам – по условиям

залегания, по происхождению, по химическому составу.

Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные,

подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или

артезианские.

Верховодка – это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах

зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном,

выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.

Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты

глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или

флювиогляциальных отложений.

Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный

горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются

грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды

могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но

трещиноватыми.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего

слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не

остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки,

количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала

грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.

Движение и режим грунтовых вод.

Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа повышаясь на

водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.

В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может

изменяться и летом дебит 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

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, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента. Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.

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.

В платформенных 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.

В центре 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

l

h I =

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.