Зональность грунтовых вод
При продвижении с севера на юг увеличивается глубина залегания грунтовых вод и повышается степень их минерализации. В северных широтах, областях повышенного увлажнения грунтовые воды залегают близ поверхности земли, зачастую сливаясь с поверхностными водами и образуя болота. Минерализация всего лишь порядка 0,2–0,5 г/л. В средних широтах глубина залегания грунтовых вод увеличивается до 3–10 м. Воды пресные (менее 1 г/л). В степях, лесостепях – до 30 м (2–3 г/л). В аридном климате (пустынях) уровень грунтовых вод – до 70 м и более (более 10 г/л).
По комплексам пород вмещающих грунтовые воды выделяются такие основные типы – грунтовые воды аллювиальных (Q) отложений, грунтовые воды ледниковых отложений (Q) – таяние ледников, грунтовые воды горных областей и пр.
Артезианские (напорные) воды – это подземные воды, залегающие в водоносных пластах (горизонтах) между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и, соответственно, имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта. (Первая артезианская скважина была пробурена в Париже в долине р. Сена (Артезия) в XIII веке). При вскрытии этих вод скважинами и колодцами, уровень воды поднимается выше кровли водоносного пласта, и могут изливаться на поверхность или фонтанировать.
Особенности артезианских вод:
– залегают глубже грунтовых вод;
– приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород. Расстояние между кровлей и подошвой – мощность;
– область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения;
– находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Повышение (высота) уровня воды от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды (в выработке) – пьезометрический напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем;
– характеризуются стабильным режимом в отличие от грунтовых вод;
– образует сложную водонапорную систему (до 10 горизонтов).
Рис.18 Артезианские воды. 1 – водоупор (глина), 2 – водоносный пласт (песок), 3 – скважины, 4– область питания, 5 – пьезометрический уровень (область развития напора), Н – абсолютная отметка пьезометрического уровня, 6 – поверхность земли, Река – область разгрузки, m – мощность пласта (расстояние от кровли до подошвы).
По условиям залегания различают:
– артезианские бассейны,
– артезианские склоны,
– субартезианские склоны.
Артезианские бассейны – определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта.
В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки.
Область питания – область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными.
Область развития напора. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора. Установившийся уровень воды – пьезометрический уровень.
Область разгрузки (дренажа) – область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений (разъяснить) на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников.
Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта.
Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней – гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока.
Режим артезианских вод по мере удаления от области питания становится все более постоянным во времени.
От строения артезианского бассейна, соотношения области питания и всей площади распространения зависит и химический состав этих вод. Если область питания достаточно велика, то наибольший объем в этой системе занимают пресные воды (происходит интенсивный водообмен). В крупных впадинах, область питания относительно невелика и здесь происходит накопление древних вод повышенной минерализации, вплоть до рассолов.
Наиболее типичные примеры крупнейших артезианских бассейнов.
Московский (300 тыс. кв. км), расположенный в пределах Подмосковной котловины (крупная синклинальная структура). Основной водоносный комплекс – С1-2.
Днепровско-Донецкий – Pg, K, J (350 тыс. км2).
Западносибирский – Mz, К (3 млн. км2).
Трещинные воды – это подземные воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам различным по генезису. Как правило, это безнапорные или слабо напорные воды. Эти воды перемещаются по системе сопряженных трещин различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием климата, тектоники, рельефа. В зависимости от этих причин образования трещинных зон выделяют: трещинные воды коры выветривания, трещинные воды контактных зон и тектонических нарушений, а также воды лито-генетических трещин.
Характер движения трещиноватых подземных вод. Как ни парадоксально, но оно ближе к ламинарному типу. Это важно, т.к. влияет на расчет параметров водоносного горизонта (водопритоки, дебиты и пр.).
Распространение – горно-складчатый Урал и Предуралье (частично).
Карстовые воды. Карст – это геологическое явление, связанное с воздействием воды (атмосферной и подземной) на определенные типы горных пород (известняки, доломиты, глины, соли) и приводящие их к постепенному растворению и разрушению. Вследствие этого процесса на поверхности образуются воронки, понижения, провалы, а под поверхностью земли пустоты, пещеры, огромные полости. В зависимости от горных пород подверженных выщелачиванию (растворению) выделяют карбонатный, гипсовый (сульфатный) и соляный карст. Карст развивается в растворимых породах при циркуляции в них воды, обладающей агрессивными свойствами и имеющей достаточную скорость движения.
Карстовые воды (трещинно-карстовые) – это воды карстующихся массивов горных пород, приуроченные к различному роду пустотам, образовавшимся в результате выщелачивающего действия поверхностных и подземных вод. Главная особенность карстовых вод – это быстрое поглощение поверхностных вод, резкие колебания уровней подземных карстовых вод и очень интенсивное их движение. Карстовые воды по скорости изменения уровня можно сравнить с горными реками, уровень которых, правда, вырастает на несколько метров в течение минут.
Кроме того, часто происходит питание и за счет поверхностных водотоков, рек – так называемые «суходолы» (реки попросту пропадают под землей). Таким образом, под землей образуются целые подземные реки.
Реки Серьга, Ивдель исчезают в зоне известняков и в незакарстованных областях появляется вновь.
Скорость потока воды и значительные по размерам пустоты очень часто приводили к авариям при бурении скважин (буровые колонны проваливались, обрывались и терялись).
На севере области в районе г. Ивделя существуют огромные запасы карстовых вод в толщах закарстованных известняков, которые могли бы легко обеспечить питьевой водой всю Свердловскую область. Вопрос: как транспортировать? Помимо северных районов Уральского региона, карстующиеся известняки, и, как следствие, карстовые воды, получили большое распространение в Красноуфимском районе.
Химический состав карстовых вод разнообразен и отражает состав вмещающих пород. Наряду с пресными водами верхней зоны (гидрокарбонатно-кальциевые или магниево-кальциевые), обычно появляющиеся на поверхности в виде мощных источников, встречаются сульфатно-кальциевые. Например, такие воды как Кисловодск, Мацеста.
Для строительства важно – карстовые воды большей частью агрессивны к бетону.
Подземные воды области многолетней (вечной) мерзлоты.
Многолетняя или «вечная» мерзлота – это состояние горных пород, слагающих верхние слои земной коры, которое проявляется в отрицательной температуре и продолжается непрерывно не менее 1 года до тысячелетий и десятков тысячелетий. Распространены в Европе, Азии, Северной Америке, Гренландия, Антарктида (в России – 11 млн. км2, более 60 % территории).
Мерзлота, наблюдаемая в поверхностных частях земной коры, разделяется: кратковременная, сезонная, многолетняя «вечная», существующая более одного года.
Причины вечной мерзлоты – климатические особенности севера – низкие tº, малое испарение, реликты геологического прошлого – оледенение Земли.
Подземные воды многолетней мерзлоты обычно подразделяют:
Надмерзлотные воды, залегающие над толщей сплошного распространения многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлая толща служит как бы водоупором. Межмерзлотные воды, заключенные внутри толщи вечной мерзлоты. Подмерзлотные воды, залегающие ниже многолетней мерзлоты (кровля). Все эти воды, так или иначе, связаны между собой.
Надмерзлотные – находятся неглубоко 0,5–1,0 м, в пределах т.н. «деятельного слоя», т.е. той части мерзлых пород, которые оттаивают в летний период. Зимой они могут промораживаться, т.е. превращаться в лед полностью, частично или вообще не промораживаться. Воды пресные по составу, характеризуются малыми запасами, непостоянным режимом, часто загрязнены органикой, безнапорные.
К этому же типу относятся воды несквозных таликов – под руслами рек, озер, в присклоновых участках долин (связано с тепловым действием водоемов), существуют также под уровнем моря в районах выхода древних речных долин в зонах шельфа.
Межмерзлотные – могут быть как в жидкой фазе (вода) так и в твердой (лед), т.е. законсервированной. В отличие от надмерзлотных вод, для которых характерна сезонная смена фаз состояния, эти находятся в более устойчивом состоянии. Смена фаз происходит в более длительных периодах (сотен лет и тысячелетий). Большая часть этих вод все-таки находится в жидком состоянии и отличается подвижностью. Нередко напорные.
Происхождение обусловлено тремя факторами: сквозные талики (под руслами рек), область развития вод повышенной минерализации (tº=–8º–9º)
Область развития радиоактивных элементов (распад U, Ra).
Подмерзлотные – здесь могут быть и трещинные и трещинно-карстовые и артезианские. Обычно, на глубоком севере – на значительных глубинах – 200 и более метров. Они всегда в жидкой фазе и обладают напором – скважины.
Минеральные воды – называются воды, обладающие биологически активными свойствами и оказывающие физиологическое воздействие на человеческий организм, вследствие повышенного содержания химических компонентов, органических веществ, газов или вследствие повышенной температуры они широко применяются в курортно–санаторном деле и относятся к лечебным. Воды с общей минерализацией более 1 г/л называют минеральными, если же не имеют лечебного значения, то минерализованными. Воды с общей минерализацией более 35 г/л – рассолы. 1,0–5 г/л – столовые воды, 5–15 г/л – слабоминерализованные, 15–35 г/л – высокой минерализации.
Все эти воды (1–35 г/л) пригодны для питья только в случае, когда преобладающим является ион НСО3.
Промышленные рудничные воды – воды, содержащие химические элементы и соли (NaCl) в концентрациях, удобных для их извлечения (Cu, Zn, J, B, Br). (В свое время Дегтярка: содержание меди в воде до 265 мг/л. Откачивали около 2 млн. м3 в год, получали до 400 тонн меди).
Родники (источники) – это одна из форм проявления подземных вод при выходе их на поверхность. В родниках различают: жерло (место, откуда изливается вода), родниковую воронку (небольшой водоем) и изливающийся дальше ключ. Ключи впоследствии могут превратиться в ручьи, а затем и реки. Все виды подземных вод могут выходить на поверхность (иметь область разгрузки).
Родники (источники) подразделяют на нисходящие (безнапорные воды) и восходящие (естественные выходы напорных вод). Они поднимаются на поверхность под воздействием гидростатического давления или газов и пара (гейзеры). По всем источникам проводится мониторинг (систематический контроль химического состава и замеры дебита).