- Круговорот воды в природе

Лекция №22

Круговорот воды в природе. Виды воды в горных породах.

План:

1. Гидросфера и круговорот воды в природе.

2. Виды воды в горных породах.

3. Свойства горных пород по отношению к воде.

4. О зоне аэрации и насыщения.

Ключевые слова:  Круговорот, бессточные области, испарение, транспирация, инфильтрация, гидросфера, гидросфера, зона аэрация, парообразная, связанная, прочносвязанная, рыхлосвязанная, капиллярная, гравитационная, кристаллизационная, конституционная, водопроницаемость, влагоемкость.   

Общая площадь земного шара S 10*106 км 2, из них воды Мирового Океана занимают 70,8%, остальная территория (28,2%) представлена сушей, т.е. имеет сток воды в моря и океаны. Бессточные области не имеют стока в океаны и моря. Примером областей является Аралокаспийская и другие области. Поступающая в эту область влага полностью расходуется на испарение и транспирацию.

Рекомендуемые материалы

Плакат №32. Круговорот воды в природе.

Запасы воды  в различных звеньях гидросферы (тыс. км³):

1.  Мировой океан – 13720,3

2. Подземные воды – 60000

3. Ледники – 24000

4. Озёра – 280

5. Почвенная влага – 85

6. Пары атмосферы – 14

7. Речные воды – 1,2

Всего: 1454703

 Влага на земном шаре находится в постоянном круговороте:

Различают большой (Б) и малый (А) круговороты. При большом круговороте влага, испаряющаяся  с поверхности океанов, переносится в форме водяных паров воздушными течениями на сушу, выпадает здесь на поверхность в виде осадков, а затем возвращается в моря и океаны поверхностным и подземным стоком. При малом круговороте влага, испаряющаяся  с поверхности океанов, морей, здесь же выпадает в виде осадков.

Подземные водами образуются  преимущественно путём инфильтрации атмосферных осадков, а также  путём  инфильтрации речных и других вод под действием  силы тяжести  просачиванием по крупным порам и трещинам горных пород.

Наиболее распространённая классификация видов воды в горных породах. Была предложена А.Ф. Лебедевым. В настоящее время  наиболее расширена данная классификация другими учёными и представлена в следующим  виде:

     Парообразная вода находится  в форме водяного пара  в воздухе присутствующем в парах и трещинах горных пород и в почве, передвигается вместе с воздухом, а также от участков  с высокой абсолютной  упругостью водяного пара  к участкам с более низкой упругостью. При определённых условиях путём конденсации может переходить в жёсткую форму. Парообразная вода – единственный вид, способный передвигаться в породах при незначительной влажности.

Связная вода присутствуют главным образом в глинистых породах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести. Подвижность её несравненно меньше подвижности свободной воды. Различают прочно- и рыхлосвязанную воду.

     Прочносвязанная вода удерживается  на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести. По свойствам прочносвязанная вода близка к твердому телу. Имеет высокую плотность, вязкость и упругость, свойственна преимущественно тонкодисперсным породам, передвигается только в форме пара, не способна растворять соли, недоступна для питания растений.

     Рыхлосвязанная вода  - располагается над прочносвязанной (адсорбированной) водой , удерживается  молекулярными силами. Менее сильно связана с частицами пород, более подвижна, плотность близка. К плотности свободной воды, способна передвигаться от частицы к частице породы под влиянием сорбционных сил, причём в засоленных породах передвижение воды происходит к участкам с более высокой концентрацией солей, сил тяжести так же не подчиняется и не передаёт гидростатический напор, способность растворять соли понижается.

     В некоторой степени доступна для использования  растениями. Содержание  плёночной воды может достигать в песках 1-7%, супесях 15-23%, суглинках 15-23%, глинах 25-40%.

     Капиллярная вода находится в капиллярных водах и трещинах горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха находящегося в парах пород. Капиллярная вода  подразделяется на 3 вида: собственно - капиллярную, подвижную и воду углов пор.

Гравитационная вода  подчиняется силе тяжести. Движения воды происходит под влиянием этой силы и напорного градиента, передаёт гидростатический напор.

Кристаллизационная вода  входит в состав  кристаллической решётки минералов, например гипс CaSO₄*2H₂O, сохраняет молекулярную форму.

Вода в твёрдом состоянии – в форме льда. Кроме указанных видов, выделяют химически связанную (конституционную) воду, которая участвует в строении кристаллической решётки минералов в форме ионов H+, OH-, т.е  не сохраняет молекулярной формы.

Свойства горных пород по отношению к воде. Гранулометрический состав  (процентное содержание в рыхлой породе частиц различного размера) служит классификационным признаком позволяющим установить  название породы (грунта).

Плотность - масса единицы объема твёрдой фазы (минеральных частиц) породы (г/см³). Для большинства горных пород она изменяется от 2,6 до 2,7. Плотность входит в ряд расчётных формул для определения физических и механических свойств пород.

Объёмная масса – масса единицы объёма породы (г/см³). Для глинистых пород объёмную массу  находят дважды: для грунтов в естественном состоянии ∆- при естественной  пористости и влажности: объёмная масса твёрдой фазы, или скелета породы, δ – без  массы воды в порах, но с сохранением естественной пористости,

, где

W – массовая (весовая)  естественная влажность породы, %.

Значения  δ возрастает с повышением плотности породы. Естественная влажность – это отношение массы воды к массе минеральной части породы:   или отношение  объёма воды V_в к объёму всей породы

             или   

Массовую влажность породы определяют взвешиванием образца до высушивания и после него. Полученную разность, отвечающую содержанию воды, делят на массу высушенного образца.

Горные породы имеют поры, пустоты, трещины. Пористость (n) породы характеризуется формулой:

, где V_n, V –  объём пор и породы.

Для определения пористости (n) надо знать плотность или объемную массу породы:

,

 где - объёмная масса и плотность минеральной части породы.

Кроме показателей (n), широко используется в расчётах – коэффициент пористости (e), равный отношению объема пор к объему скелета породы.

Пористость (n) и коэффициент пористости (е) связаны между собой следующим образом:

;                    

Водопроницаемость – это способность горных пород, пропускать через себя воду. Она обусловлена наличием в породах пустот. Галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые, магматические, метаморфические и осадочные породы обладают хорошей водопроницаемостью. Глина, алевролиты и не трещиноватые, не выветренные горные породы, водонепроницаемые.

Абсолютно водонепроницаемых пород нет. Вода в земной коре нередко находится под значительным напором и может просачиваться даже через толщу глин. Показатели водонепроницаемости породы служит коэффициент фильтрации (К_ф).

- если обе стороны делим на F.

 или ,

где Q – расход фильтрационного пока – количество воды протекающее через данное поперечное сечение потока в единицу времени  м³/ сутки.I – градиент напора или гидравлический градиент. F – поперечное сечение потока, м².

Влагоёмкость – это способность пород вмещать и удерживать в пустотах определённое количество воды. Она выражается  ( в процентах) отношением массы влаги, заключённой в пустотах, к массе сухой породы.

Различают полную влагоёмкость  - наибольшее количество связной, капиллярной и гравитационной воды, которое может содержаться в породе при заполнении всех пустот.

Капиллярную влагоёмкость (КВ)-наибольше количество капиллярной влаги, которое может содержаться в породе. Растворимость – это способность горных пород растворяться в воде.

О зоне аэрации и насыщения. В рыхлых горных породах  ниже уровня грунтовых вод все поры полностью заполнены водой, кроме пор, занятых защемлённым воздухом – это зона насыщения. Слой выше неё называется зоной аэрации. Мощность зоны аэрации равна глубине залегания уровня первой от поверхности подземных вод, и поскольку эта глубина изменчива во времени, то и мощность зоны аэрации непостоянна.

Непосредственно над уровнем грунтовых вод располагается капиллярная влага. В зоне аэрации может быть распространена парообразная, гигроскопическая, плёночная, подвешенная, капиллярная, гравитационная и твёрдая вода. На линзах и прослойках слабопроницаемых пород могут образоваться временные водоносные горизонты, называемые верховодкой. Она образуется в результате просачивания осадков, поверхностных и оросительных вод.

Плакат №33 Зона аэрации и залегания грунтовых вод.

     Во всех случаях, когда скорость поступления на такие линзы или прослойки больше, чем скорость просачивания через них воды. Чаще всего верховодки носят сезонный характер (возникаю весной, исчезаю осенью) вследствие испарения и транспирации.

Зона насыщения может быть однородна по составу и возрасту водовмещающей породы или же разнородна. В последующем случае в зоне насыщения находится несколько водоносных горизонтов: грунтовые, межпластовые, ненапорные и артезианские воды.

     Водоносным горизонтом называют пласт, содержащий гравитационную воду, им может быть любая пористая порода или порода с многочисленными трещинами различных размеров (ширина трещин до см.). Водоносный горизонт подстилается водоупором, или водоупорным пластом, который является водонепроницаемым или слабоводопроницаемым.

Водоупором является глина, глинистые сланцы, не трещиноватые изверженные  и другие породы.

Контрольные вопросы:

1. Содержится ли вода в минералах и горных породах?

2. В атмосфере происходит ли передвижение воды?

3. Какое влияние оказывает вода на свойство пород?

4. Естественная влажность горных пород как определяется?

5. Какое значение  имеет пористость породы к водным свойствам породы?

6. Как определяется влагоёмкость горных пород?

"Диаграммы с областями" - тут тоже много полезного для Вас.

Литературы:

1. Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.

2. Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.

3. Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.

4. Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.

5. Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.