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

Влияние гидрогеологического фактора на формирование подземного стока резче всего заметно в районах развития карстующихся пород. Примером этому может служить Урал, западные склоны которого сложены сильно карстующимися породами (известняками) и где модули подземного стока

достигают 10-12 л/с (бассейн рек Щугора, Вишеры, Косьвы), тогда как в соседних бассейнах, где отсутствует карст, эти модули не превышают 3-4 л/с

с 1 км2. То же самое наблюдается в Крыму, на Средней Волге, Тиманском кряже и других местах.

Большое влияние на формирование подземного стока оказывают многолетнемерзлые породы. Там, где эти толщи развиты, коэффициент подземного питания рек, как правило, меньше 10%, тогда как в других районах он значительно выше.

По картам подземного стока были подсчитаны естественные ресурсы пресных подземных вод зоны интенсивного водообмена для 95% территории бывшего СССР, которые составили 32 924 м3/с, или 1038 км3/год, из них 24 041 м3/с приходится на азиатскую часть бывшего СССР. В целом подземный сток для территории бывшего СССР составляет примерно 24% от общего речного стока [7].

Наиболее богата водными ресурсами (в удельном выражении на единицу

площади) Южная Америка: полный речной и подземный стоки этого материка почти в 2 раза больше, чем в Европе, занимающей второе место по богатству

водными ресурсами. Затем следуют Азия, Северная Америка и Африка. Наиболее слабо обеспечена речным стоком Австралия. По объему стока со всей площади континента наиболее богата водными ресурсами Азия. Ей уступают Южная Америка, Европа и Австралия.

Необходимо, однако, иметь в виду, что все приведенные данные получены методом расчленения гидрографа и поэтому не учитывают стока, который, минуя реки, направляется непосредственно в эпиконтинентальные моря и океан. Последний, по ориентировочным подсчетам Р.Л. Нейса, составляет для всего земного шара 7 тыс. м3/с, или 224 км3/год, из 2397 км3/год всего объема подземного стока в моря и океаны [4]. Определение величины подземного стока в моря — одна из важнейших задач гидрогеологии на ближайшую перспективу.

Таким образом, гидрогеологический круговорот воды, охватывая верхнюю

часть земной коры, приводит к формированию огромных масс подземных пресных вод, распределенных на относительно небольших глубинах. В то же

время часть воды этого круговорота по зонам глубинных разломов и хорошо проницаемым горным породам проникает на большие глубины, нагревается и дает начало образованию разнообразных по составу термальных вод, широко развитых в горноскладчатых областях, например, в Прибалтике, Забайкалье, Кавказе, Тянь-Шане и т.д. Область действия этого круговорота совпадает с зоной гидростатических напоров и изменяется в геологическом аспекте времени. Определяющей чертой его является сво-

73

бодная фильтрация воды через горные породы от областей с большим напором к областям с меньшим напором, как правило, от горных сооружений к предгорным, из континентов к морям и океанам.

Кроме естественных ресурсов различают также естественные запасы подземных вод, под которыми понимают объем свободных, (гравитационных) вод в конкретном водоносном горизонте, комплексе или бассейне. В отличие

от естественных ресурсов, которые характеризуют количество воды, проходящее через поперечное сечение водоносного горизонта в единицу времени (м3/с, л/с, м3/сут и т.д.), запасы определяются объемом водоносного комплекса и водоотдачей его горных пород, и измеряются они в объемных единицах (м3, км3). Соответственно первые еще называют динамическими ресурсами (динамика — движение), а вторые — статическими (статика — покой). По своему смыслу термин "запасы" отражает объем воды в геологическом теле, а

термин "ресурсы" — расход воды, протекающий через это тело.

3.2.4 Интенсивность водообмена и режим подземных вод

Итак, через любую емкость горных пород постоянно просачивается

определенное количество воды Q. Одновременно эта же емкость (горизонт, пора, комплекс, бассейн) содержит определенный объем воды V, который непрерывно обновляется с той или иной скоростью. Следовательно, можно вычислить время Т, необходимое для того, чтобы весь первоначальный объем воды V сменился на равный объем новой воды. Оно равно:

водообмена, а величину, обратную этому времени ω, — интенсивностью водообмена.

Несмотря на условность введенных понятий, обусловленную тем, что не все виды и типы воды даже в одном горизонте обменива ются с одинаковой скоростью, эти понятия получили широкое распространение, так как они по своей сущности отражают фундаментальные свойства подземной гидросферы к непрерывному обмену, который реализует возможности развития многих

геологических и биологических процессов.

По интенсивности водообмена в гидрогеологии, начиная с работ Н.К. Игнатовича, выделяют три гидродинамические зоны, играющие важную роль в развитии разнообразных геологических процессов.

1. Верхняя зона — зона активного водообмена — находится в сфере влияния эрозионного вреза местной гидрографической сети, интенсивного дренажа и воздействия современных климатических факторов. Поэтому

характеризуется наиболее интенсивным подземным стоком и непостоянным режимом. Мощность верхней зоны зависит от структурных особенностей района: она

74

максимальна в горных (складчатых) районах и минимальна в платформенных. В первом случае это 500-1000 м, во втором — десятки, реже первые сотни метров. Для этой зоны характерны сроки однократного водообмена — от нескольких десятков лет (горноскладчатые области) до сотен и тысяч лет (платформенные области).

2.Средняя зона — зона замедленного водообмена — промежуточная — это зона, где значение эрозионного вреза уменьшается, дренаж затруднен. В соответствии с этим уменьшается и величина подземного стока, а режим вод становится более постоянным. Эта зона наблюдается в глубоких частях горных сооружений и в переходных районах от горных сооружений к платформенным участкам. Нижнюю ее границу часто проводят по уровню Мирового океана. Сроки водообмена в этой зоне возрастают до десятков и сотен тысяч лет.

3.Нижняя зона — затрудненного водообмена — располагается ниже уровня Мирового океана и не подвержена влиянию климатических факторов. Поэтому режим подземных вод в ней постоянен, подземный сток минимален и в практическом смысле незначителен. Эта зона наблюдается в глубоких впадинах, характерных для плат

форменных участков. Интенсивность водообмена изучена слабо, время водообмена возрастает до единиц, десятков и даже, вероятно,

сотен миллионов лет.

Следовательно, в самом общем виде с глубиной по мере увеличения времени

водообмена меняются характер режима подземных вод, интенсивность подземного стока и гидродинамическая обстановка. Распространение той или

иной зоны тесно связано с геолого-структурными особенностями региона, историей его развития. Поэтому эти стороны нельзя отрывать друг от друга, а необходимо рассматривать вместе. Большая заслуга в обосновании учения о вертикальной гидродинамической тональности принадлежит русским ученым Б.Л. Личкову, Н.К. Игнатовичу, Ф.А. Макаренко, И.К. Зайцеву и др.

С учением об интенсивности водообмена тесно связано учение о режиме подземных вод, под которым понимается изменение их уровня, температуры, химического состава и расхода во времени и пространстве под влиянием естественных и искусственных факторов. Основные изменения, которым подвержены подземные воды,следующие.

1.Эпизодические, связанные с изменением кратковременных явлений природы: выпадением осадков, таянием снега, изменением температуры и т.д.

2.Суточные, связанные с изменением температуры и влажности

втечение суток.

3.Сезонные, наиболее закономерные, обусловленные изменением температуры, количества осадков, величины испарения и т.д. по сезонам года.

75

4. Годовые, обусловленные количественными различиями в метеорологическом режиме в различные годы: например, сухие и влажные, теплые и холодные годы.

5. Многолетние, связанные со многими причинами. Одной из

таких наиболее вероятных причин является изменение солнечной активности. Известно, что активность на солнце не постоянна и

подвержена периодическим колебаниям с периодами 11 лет, 22 года, 100 лет и др. Это изменение активности солнца сказывается на многочисленных явлениях на Земле. В частности, Н.А. Кенесарин установил, что уровень колебаний грунтовых вод в Средней Азии имеет период колебаний 11 лет. Этот факт им связывается с деятельностью Солнца. Это весьма важно для понимания направленности многих гидрогеологических процессов [6].

6. Геологические, связанные с изменением физико-географических условий на Земле, происходящие в течение геологического времени, с перемещением бассейна реки, изменением соотношений горных и равнинных областей, климатических условий и т.д.

Среди геологических факторов особая роль принадлежит истории развития геологической структуры, которая определяет не только интенсивность водообмена, но и направление процессов формирования подземных вод того или иного района, а следовательно, и тип их режима (см. раздел 6.1).

3.2.5 Круговорот воды и проблемы экологии

Как было сказано выше, климатический круговорот воды определяет наиболее важные предпосылки существования и развития жизни на Земле. К

сожалению, человек, став геологической силой, стал воздействовать на окружающую среду глобально. Вследствие этого уже началась трансформация круговорота воды, пока не только не оцененная количественно, но и даже не осознанная человечеством.

Техногенное воздействие на круговорот воды осуществляется через все его основные звенья: океан, атмосферу, речной и подземный стоки. Океан, став для людей главнейшей "дорогой" нашей планеты, непрерывно подвергается загрязнению, которое изменяет масштабы испарения воды с его поверхности и тем самым подрывает "фундамент" климатического круговорота воды. Особенно опасны в этом плане разливы нефти, происходящие при катастрофах гигантских танкеров. Ведь стоит покрыть

всю поверхность океана нефтью, как испарение с него практически прекратится и круговорот воды, как явление со всеми вытекающими отсюда

последствиями, исчезнет.

Воздействие на круговорот воды особенно интенсивно осуществляется через атмосферу, в которую выбрасывается только аэрозолей промышленного производства 2,96·108 т/год. Если к этому добавить, что ежегодно сжигается около 3 млрд. т нефти и почти столько же угля, то станет ясно, что атмосфера подвергается

76

неимоверно огромному техногенному прессу. Большое воздействие на атмосферу оказали испытания атомного оружия, о чем можно судить по

резкому увеличению в ней разнообразных радионуклидов и, в частности,

трития — сверхтяжелого изотопа водорода (рис. 3.5). Попадающие в атмосферу загрязнения воздействуют на

Рис. 3.5.

Изме не ние

конце нтрации трития в атмосфе рных осадках (1) и речной воде Оттавы ( 2) в

пе риод 1953 —1969 гг.

77

содержание и строение мельчайших частиц, влияющих на темпы и масштабы конденсационных процессов, а значит, и на интенсивность и количество

выпадающих атмосферных осадков. О масштабах таких процессов можно

косвенно судить по образованию кислотных дождей — этому глобальному явлению, возникшему во второй половине XX в. [5].

При взаимодействии диоксида серы и оксидов азота с водяными парами атмосферы образуются кислоты, что ведет к резкому уменьшению рН дождей

(рис. З.б). Выпадение кислотных дождей стало широко распространенным

явлением, захватывающим крупные регионы и приводящим к понижению рН окружающей среды, что влияет на рост лесов, качество почв, рН воды и

т.д.

Не меньшее воздействие на круговорот воды оказывается и на поверхности земли. Создание многочисленных водохранилищ, вырубка лесов, распахивание

почв, разработка полезных ископаемых, мелиоративные работы, переброска

рек, рост городов — все это резко меняет фильтрационные свойства горных пород, степень и масштабы испарения воды, ведет к перераспределению стока,

меняет соотношение между поверхностной и подземной его составляющими. В

конечном счете это ведет к изменению интенсивности водообмена на конкретном участке территории, а значит, и к изменению ее ландшафтных

особенностей.

К сожалению, масштабы изменения человеком разных аспектов климатического круговорота пока практически не изучались, и они не оценены в должной мере. Это задача ближайшего будущего. Однако экологический вред

уже сегодня очевиден: обмелели многие реки, но подтоплены города,

загрязнены поверхностные воды и атмосфера, катастрофически загрязняются подземные воды, моря и океаны. Проблема чистой воды стала одной из

наиболее острых на земном шаре. Именно по этой причине ООН объявляла

1981-1990 гг. десятилетием чистой воды и улучшения санитарных условий.Однако

Рис. 3.6. Рост кислотности д ождей в Сканд инавии [5]:

1 — Осло, Норвегия; 2 — поб ережье Ботнического залива, Шве ция; 3 — среднее

78

надо четко осознавать, что многие экологические проблемы, вклю чая проблему чистой воды, не могут быть решены без прекращения

глобального воздействия на климатический круговорот воды.

3.3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ

Геологический круговорот воды в земной_ коре в отличие от климатического обусловлен непрерывным движением отдельных ее

участков в вертикальном и горизонтальном направлениях в связи с

общей тектонической жизнью Земли. Начало этого круговорота связано с бассейнами осадконакопления на стадии формирования

геосинклинального прогиба. В начальный этап структурного развития

происходит накопление огромных толщ осадочных пород, преимущественно морского происхождения. В них захороняется большое

количество седиментационных вод.

Свежесформированный осадок в бассейнах седиментации представляет собой в подавляющем большинстве случаев "рыхлое или

текучее тело, резко обводненное, богатое микроорганизмами и со стоящее

из весьма разнородного химико-минералогического материала, частью твердого, частью жидкого и газообразного" [19]. Важ нейшей чертой этого

осадка является наличие большого количества воды, достигающего в ряде

случаев 100% и более. Так, по данным Н.В. Тагеевой и М.М. Тихомировой, средняя естественная влажность и количество свободной

воды в современных донных осадках Северного Каспия составляют

соответственно 71,4 и 66,7%, максимальные же их значения достигают 140 и 122%. Средняя естественная влажность осадков Гренландского

моря с оставляет 55,7%, а осадков Северного Ледовитого океана —

69,9%.

По мере того, как происходит погружение зоны осадконакопле ния в результате давления перекрывающих слоев и уплотнения илов,

ведущего к превращению их в породы, содержание воды в илах начинает уменьшаться. Уплотнению подвергаются и образую щиеся из

илов глины вплоть до превращения их в сланцы. При этом идет снижение

пористости и выжимание воды. Последнее особенно характерно для глинистых осадков.

Уже на первых сотнях метров пористость глинистых осадков

интенсивно уменьшается, и они теряют значительное количество свободной воды. При дальнейшем погружении скорость уплотнения глин

и водоотдача из них уменьшаются. Так, по данным Н.Б. Вассоевича,

пористость глин на глубине 400-500 м составляет 35-40%, на глубине 2000 м — уже примерно 20%, а на глубине 3000 м — меньше 10%.

Общую картину уменьшения пористости глин с глубиной можно видеть

на рис. 3.7.

Пористость песчаных и карбонатных пород с глубиной уменьша ется значительно медленнее, чем глинистых (рис. 3.8), хотя детали этой

79

самого начала их образования тоже находится седиментационная вода, но она постепенно уступает место водам, выдавливаемым из глин, так как геостатическое давление, господствующее в уплотняющихся слоях глин, в 2 раза и более превышает гидростатическое давление, господствующее в

практически несжимаемых песчаниках. Геостатическое давление в глинах, передаваясь на заключенные в них воды, создает в них давление,

превышающее давление в коллекторах. В дальнейшем движение вод в водоносных горизонтах происходит в соответствии с гидравлическим уклоном, направленным от мест наибольшего прогибания и выжимания к местам относительно меньшего тектонического движения (рис. 3.9).

Основная часть свободных вод отжимается уже на первых сотнях метров погружения осадка, но на этом отжатие вод не прекращается, поскольку в дальнейшем в этот процесс включаются связанные воды вплоть до адсорбированных и кристаллизационных. Наибольшее внимание привлекают прежде всего межслоевые воды монтмориллонита, который содержит более 20% воды в связанном состоянии [11].

Как показали исследования американских ученых М.К. Пауэрса, Дж.Ф. Берста, Е.А. Перри, Дж. Хауера и др., выделение межпластовой воды происходит не равномерно, а связано с этапами иллитизации монтмориллонита,

определяемыми литологическими особенностями горных пород, скоростью их погружения, геотемпературными условиями (рис. 3.10). Важно, что

выделение межпластовой воды сопровождается глубокими структурными изменениями минерального состава глин. При этом их объем уменьшается, что соответствует формирующейся геодинамической обстановке, связанной с увеличением давления.

81