Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология

1)водопроницаемые — галечники, гравий, песок, рыхлые песчаники и все сильно трещиноватые породы;

2)полупроницаемые — глинистые пески, лѐсс, известняки, песчаники и слабо трещиноватые метаморфические и магматические породы;

3)практически непроницаемые — глины, суглинки и все мас-

сивные кристаллические и осадочные породы, если они не трещиноватые.

Водопроницаемые и полупроницаемые породы образуют в земной коре систему водоносных горизонтов. Водоносным горизонтом называется водопроницаемый пласт, насыщенный водой, находящейся в постоянном

движении благодаря гидравлической связи и перепаду давления, существующих во всем пласте, и ограниченный водонепроницаемыми

породами снизу и сверху или только снизу. Пласт, подстилающий водоносный горизонт, называется подошвой, а пласт, перекрывающий его, — почвой водоносного горизонта. Поверхность, образованная подземными водами, носит название зеркала подземных вод. Для первого от поверхности водоносного горизонта, воды которого называются грунтовыми, зеркало является границей, разделяющей зону аэрации и зону полного насыщения (рис.

2.9).

Представления о водопроницаемых и водоупорных породах относительны, поскольку в разных геолого-структурных и термодинамических условиях одна

и та же порода может быть либо водоносным горизонтом, либо водоупором. Как показывают исследования последних лет [10], при значительных перепадах давлений и повышенных температурах водопроницаемыми могут быть даже толщи глин мощностью несколько десятков метров. Однако при господствующих в верхней части земной коры (до 2-5 км) температурах и давлениях породы с коэффициентом проницаемости менее 0,1 мкм2 являются достаточно надежными водоупорами.

С глубиной, по мере роста давления, пористость и проницаемость горных

пород как правило уменьшаются, что приводит к меньшему различию водоносных горизонтов и водоупоров.

Различают напорные и безнапорные водоносные горизонты. Безнапорные водоносные горизонты не имеют перекрывающих проницаемых горных пород, вследствие чего питание атмосферными осадками происходит по всей площади их распространения и подземные воды испытывают только атмосферное давление. Напорные водоносные горизонты, наоборот, перекрыты трудно проницаемыми горными породами и поэтому характеризуются давлениями, превышающими атмосферное. Питание этих горизонтов атмосферными осадками может осуществляться только на отдельных участках, где отсутствуют перекрывающие слабо проницаемые породы. Часто напорные водоносные горизонты могут переходить в.безнапорные и наоборот.

Для напорных водоносных горизонтов, кроме реально существующей поверхности подземных вод, различают еще пьезометричес-

52

2.Область распространения (напора) подземных вод — про-

межуточная зона между областями питания и разгрузки, которая является основной по площади развития. В пределах этой области преобладающим направлением движения подземных вод является горизонтальное. Для безнапорных водоносных горизонтов эти две первые области, как правило, совпадают.

3.Область разгрузки — зона, в пределах которой подземные воды выходят на поверхность земли или переливаются в другой водоносный горизонт (скрытая разгрузка). Направления движения подзем-

ных вод могут быть вертикальными восходящими или нисходящими.

В местах выхода подземных вод на поверхность образуются источники

или родники, представляющие собой по существу своеобразные природные сооружения, из которых непрерывно ведется откачка воды и около которых всегда наблюдается депрессия в водоносном горизонте.

Чаще всего подземные воды выходят на поверхность земли в случае прорезания водоносного горизонта эрозионной сетью. A.M. Овчинников предлагает различать сток и разгрузку подземных вод. Первое характерно для вод, имеющих свободную поверхность, а второе — для напорных вод. Равномерно проницаемые породы дают возможность стока по всей линии пересечения зеркала воды с дневной поверхностью (рис. 2.12), тогда как

неравномерно проницаемые — только в отдельных местах.

Расход, или дебит, любого родника зависит от четырех основных переменных: 1) проницаемости пород; 2) площади области питания; 3) объема питания и 4) геологического строения места выхода воды. Родники разгружаются не только на дневную поверхность, но и непосредственно в океаны, моря, реки, озера, другие водоносные горизонты. Часто родники выделяют газ, иногда пар, бывают солеными, термальными и т.д.

Единой классификации родников в настоящее время не существует. Их подразделяют по приуроченности к типам вод по условиям залегания,

характеру водовмещающих пород, особенностям режима, дебита, состава и др. Наиболее интересным представляется подразделение, предложенное A.M.

Овчинниковым, по условиям выхода на поверхность на: 1) эрозионные,

возникающие в результате эрозионных процессов при несовершенном вскрытии водоносного горизонта; 2) контактовые, выходящие на контакте водоносных пластов с подстилающими их водоупорными породами; 3) экранированные, связанные с фильтрационной неоднородностью пород (слабопроницаемый делювий на склоне водоносного горизонта, значительные неровности водоупора); 4) сифонные, действующие по принципу сифона, и др. Некоторые виды родников показаны на рис. 2.13.

С конкретными примерами выделения областей питания и разгрузки подземных вод можно познакомиться в специальном пособии [2].

Более крупной единицей гидрогеологической стратификации является водоносный комплекс, который представляет собой группу

55

гидр авлически связанных между собо й во доно сных гор изо нто в, о динако вых или разных по лито ло гическому составу , разделенных слабо водопроницаемыми

породами относительно небольшой мощно сти и им ею щих б лизкие у сло вия питания и р азгру зки (р ис. 2.14). В о тлич ие о т во доносных го р изо нто в в во до носном ком плексе напоры по дзем ных во д мо гу т, хо тя и незнач ительно , изменяться в вер тикальном разр езе , ч то о пределяется степенью про ницаемости

пород о тдельных горизонтов.

Система во до носных комплексо в, связанная единой об ластью питания и разгрузки, о бразу ет бассей н под земных вод . Последние широ ко р азвиты в

пределах различных гео ло гических стру ктур : синеклиз, мульд, краевых и предгорных прогибов, межгорных впадин, грабенах, зо нах тектонических

залегания, распростр анения, питания и разгру зки подземных вод.

Во доносные формации ч асто разделяю тся регионально выдер жанными водоупорами и включаю т несколько во доносных комплек сов. Каждая такая

формация о тличается о т дру гой истор ией палео -гидрогео логическо го развития, гидродинамическими и гидрогеоло ги ческими особенностями.

Рис.

2.14.

Типовая схе ма строе ния

водоносного компле кса [7]:

/ - во допро ницаемые поро ды; 2 — во доу порные поро ды; 3-5 — пьезо метрические уровни

соответственно I, II и III горизонтов; 6 — направление движения по дземных во д; 7 — об ласт ь питания во доно сного ко мплекса ; 8 — ро дник нисходящий ( зона разгрузки )

57

Примерами водоносных формаций могут быть рыхлые песчано-глинистые толщи нескольких бассейнов, осадочно-вулканногенные покровы, песчано-

глинистые сцементированные породы, карбонатные образования, соленосные толщи, массивы кристаллических пород и т.д.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Опишите границы подземной гидросферы и жидкой воды. В чем их различие?

2.Назовите критическую температуру и давление кипения во ды.

3.Ко гда и где Вы сами видели зону аэр ации? Ее мо щность?

4.Где бо льше во ды — в глинах или песках?

5.Назовите пять минералов, содержащих кристаллизационную воду.

6.Почему ф изически связанная во да не замерзает при 0° С?

7.Участвует ли в общем круговороте вода, вхо дящая в кристалли

ческие решетки минералов?

8.Охарактеризуйте значение капиллярной каймы .

9.Что измеряю т единицей дарси и каков ее физический смысл?

10.Почему не исчезаю т реки пу тем инф ильтрации во ды в недра зем ли?

11.Назовите основные элементы во доносного горизонта .

12.Расскажите о приро де восхо дящих ро днико в.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Вернадский В.И. Избранные соч инения. Т. IV. Кн. 2. - М .: Изд-во А Н

СССР, I960.

2.Гавич И.К., Лучшева А.А., Семенова-Ерофеева СМ . Сбор ник

задач по об щей гидрогео логии. - М .: Недра , 1985.

3.Григорьев СМ. Роль во ды в образовании земной коры. Дренаж ная обо лоч ка земно й коры . - М .: Недра , 1971.

4.Грунтоведение/ ЕМ . Сер геев, ГА . Го ло дко вская, Р.С. З ианги

ро в и др . - М .: М Г У, 197 1.

5.Зл о чев ска я Р.И. Связанная во да в глинистых гр унтах. -М .:

МГУ, 1969.

6.Кирюхи н В.А, Коро ткое А.И., Пылов А.Н. Общая гидрогео ло гия. - Л .:

Недр а , 1988.

7.Климентов П.П., Богда нов Г.Я . Об щая гидрогео логия. - М .:

Недра, 1977.

8.Коно нов В.И., Ильи н В.А. О со сто янии и по ведении во ды в

земных недрах в связи с процессами метаморфизма//З начение стру к- турных особенностей воды и во дных растворов для геологической интер

пр етации. Вып. 2. - М . - 197. 1. - С. 3 5-6 5.

9. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунто вые во ды . - М .: Изд-во А Н СССР,

1936.

10.Принципы гидрогео логической стратификации//Тр . ВСЕГ ИНГ ЕО. -

Вып. 148. - 1982.

11.Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге . – Л .: гидромете -

оиздат, 1985.

58

Глава 3

КРУГОВОРОТ И ГЕНЕЗИС ВОДЫ ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ

3.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КРУГОВОРОТЕ ВОДЫ

Известный русский ученый Б.Л. Личков в одной из своих работ писал: "...центральное значение для гидрогеологии должен получить всеми

признаваемый, но тоже до конца не понятый круговорот природных вод на

планете, а для гидрогеологии материков ведущее значение должна получить их увлажненность. Таким образом новую гидрогеологию надо построить на

трех основах - на идеях единства вод, их круговорота и увлажненности материков" [9, с. 26]. Словом, круговорот воды составляет одно из краеугольных положений современной гидрогеологии.

Учение о круговороте воды в земной коре имеет долгую историю [13], анализ которой показывает, что в течение продолжительного времени это важное природное явление рассматривалось односторонне, только с гидрологических позиций, которые механизм круговорота сводят к перемещению воды под действием тепловой энергии солнца (испарение и перемещение в атмосфере) и силы тяжести (движение дождя, снега, воды рек и подземных вод). Основная суть круговорота в этом случае сводится к тому, что выпадающие на сушу осадки частью образуют поверхностный сток, частью, просачиваясь вглубь, формируют подземные воды; поверхностные и под земные воды под влиянием силы тяжести стекают в понижения — речные долины — и образуют

реки. Вода рек, попадая в конечные бассейны стока и испаряясь, дает начало новым осадкам.

М.И. Львович [10] в круговороте воды выделяет следующие основные звенья: атмосферное, океаническое, материковое, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное, каждое из этих звеньев играет в круговороте свою особую роль. Несмотря на исключительную важность и широкую распространенность такого круговорота, он далеко не исчерпывает всего многообразия движения воды и совершенно игнорирует геологический круговорот вещества в земной коре. Поэтому современная гидрогеология не может базироваться только на идеях водообмена с поверхностью земли, а должна основываться на изучении всего многообразия кругового движения воды в земной коре. В противном случае гидрогеология будет являться частью гидрологии, что неверно в самой основе.

59

Как справедливо подчеркнул А.Н. Павлов [14], проблема круговорота воды в земных оболочках по существу сводится к проблеме водообмена между океаном и сушей, который осуществляется, однако, принципиально разными путями. Первый путь обусловлен воздействием солнечного тепла и

протекает под влиянием метеорологических и гидрологических факторов. Он известен как общий круговорот воды в природе.

Второй, менее известный, но не менее важный круговорот воды связан с процессами осадкообразования: вместе с осадочным веществом в эпиконтинентальных морях, лагунах, озерах захороняются седиментационные воды. В дальнейшем, после регрессии морей, захороненные воды остаются на территории материков и принимают участие в формировании водоносных горизонтов или в ходе дальнейшего развития земной коры участвуют в метаморфических процессах, проходят стадию связывания горными породами, затем в процессе разрушения кристаллической решетки последних переходят в свободное состояние и по зонам тектонических нарушении направляются к дневной поверхности. Этот механизм движения воды обусловлен геологическими процессами, такими, как осадконакопле-ние, тектонические движения, вулканизм, метаморфизм, гранитизация горных пород и др. Этот тип круговорота воды получил

название геологического. Третий тип водообмена в недрах земли обусловлен движением океанического дна и системой конвективных потоков в верхней

мантии в соответствии с положениями новой глобальной тектоники или тектоники плит. Согласно этой концепции материал мантии, поднимаясь к поверхности в зоне срединных океанических хребтов и возвышенностей и взаимодействуя с морской водой, образует серпентинизированный перидотит. Формирование новой океанической коры, а значит, и связывание воды, происходят непрерывно на протяжении всего пути ее перемещения к континентам. При сталкивании двух или более плит материал одной из них погружается под другую, происходит десерпентинизация пород, и вода возвращается в океан. Следовательно, этот, третий, тип круговорота совершается по некоторой пологой дуге от центральных районов океана к периферии. Перенос воды при этом происходит вместе с породами как бы в законсервированном виде. Допускается, что часть воды серпентинитов может участвовать в формировании гранитной коры континентов и возвращаться в

океан через климатический круговорот при подъеме гранитов к поверхности земли или через вулканический аппарат. Этот тип круговорота нами

предлагается называть мантийно-океаническим, но считать его разновидностью геологического.

В каждом типе круговорота выделяется несколько циклов, сумма которых охватывает многообразие каждого из них. Под циклом понимается

совокупность процессов, обеспечивающих непрерывный водообмен между океаном и сушей и протекающих с более или менее постоянной последовательностью и скоростью. Циклы, взаи-

60

модействуя между собой, образуют подвижную ажурную сеть взаимосвязи всех типов вод, определяющую их единство, которое первым гениально обосновал

В.И. Вернадский.

3.2. КЛИМАТИЧЕСКИЙ (ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ) КРУГОВОРОТ ВОДЫ

Одно из главных свойств воды на поверхности земли, к которому мы привыкли, — это способность воды изменять в термодинамических условиях

земной коры свое фазовое состояние. Постоянный приток большого количества лучистой энергии вызывает на поверхности земли испарение огромных масс воды, что ведет к снабжению атмосферы влагой. Естественно, испарение протекает интенсивнее в теплых экваториальных районах и уменьшается к полюсам. Оно усиливается на ветру, уменьшается при увеличении солености воды. Большую роль играет растительность в испарении воды: часто мощные деревья тропического леса с полным основанием сравнивают с гигантскими насосами, перекачивающими влагу из почвы в атмосферу. Например, подсчитано, что австралийский эвкалипт при благоприятных условиях ежедневно перекачивает до 1,5 ц воды. И даже береза в умеренных широтах испаряет ежегодно 7 тыс. л. воды. Но, конечно, главным поставщиком влаги в атмосферу является океан из-за его огромных размеров.

Попав в атмосферу, вода вместе с воздухом вовлекается в сложную

систему воздушных течений. В определенных условиях пар начинает конденсироваться, собираться в капли воды, которые падают на землю в виде

дождя или снега, а на охлажденных участках — и в виде так называемых "горизонтальных осадков": инея, изморози, росы. Количество выпадающих осадков и их форма также зависят от конкретных географических условий: удаленности от берега моря, высоты местности, положения поднятий рельефа относительно воздушных течений, приносящих влагу, и многих других факторов.

Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на материки, под влиянием силы тяжести, группируясь в струйки, ручьи и реки, стекает снова в океан, замыкая цикл кругооборота (рис. 3.1). Так совершается одно из наиболее могучих явлений природы, определяющих в итоге климат, а значит, и лик Земли в целом. При этом интенсивность и масштабы этого явления целиком определяются количеством солнечной энергии, поступающей на Землю, которая через сложный механизм движения водных масс определяет климат

того или иного участка Земли. Поэтому этот круговорот воды называют

климатическим.

В результате климатического кругооборота непрерывно восполняются запасы подземных вод. Дело в том, что на земной поверхности происходит разделение выпавших атмосферных осадков (X)

61