Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Гидрогеология и основы геологии

ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Классификации подземных вод отражают разнообразие условий их распространения, залегания и формирования, а также особенности состава и свойств (В.И. Вернадский, Ф.П. Саваренский, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер и др.).

Наиболее полной является классификация, разработанная А.М. Овчинниковым, которая отражает основные типы и подтипы подземных вод и геометрию фильтрационных сред (табл. 6.4).

Классификация подземных вод по видам и условиям залегания [15]

Основные

типы

Подтипы

Особые типы

Воды в пористых горных породах (поровые среды)

Воды в трещиноватых горных породах (трещинные воды)

Воды районов вечной мерзлоты

Воды зоны аэрации

Почвенные воды Болотные воды Верховодка

Воды такыров и бугристых песков (в пустынях)

Воды песчаных массивов и дюн (побережья морей)

Локальные воды коры выветривания трещиноватых горных пород Воды верхнего (дренированного) этажа закарстованных массивов Воды кровли лавовых потоков и туфо- брекчий

Воды деятельного слоя

Г рунтовые воды

Аллювиальные воды Воды речных террас Воды древнеаллювиальных отложений Воды флювиогляциальных отложений (над-, меж- и подморенных песчано-га- лечниковых накоплений)

Воды коры выветривания коренных отложений

Трещинные грунтовые воды кровли коренных пород и основания лавовых потоков

Пластово-трещинные и трещинно-пластовые воды осадочных отложений Карстовые воды массивов карбонатных пород (а также гипсоносных и соленосных)

Надмерзлотные

воды

Межмерзлотные

воды

Артезианские воды

Воды артезианских бассейнов (в песчаных пластах)

Воды артезианских склонов (в моноклинально залегающих песчано-галеч- никовых свитах предгорных районов)

Воды артезианских систем (в пластах, массивах и штоках трещиноватых горных пород)

Карстово-трещинные воды Воды зон тектонических разрывов Воды артезианских склонов (в краевых частях массивов интрузивных пород)

Подмерзлотные

воды

Почвенные воды. В почвенном слое содержится влага, называемая почвенными водами. К ним относится: гигроскопическая, рыхло связанная, капиллярная (поднятая, подвешенная, стыковая) вода. Эти воды, передвигающиеся под действием молекулярных, капиллярных сил и реже сил тяжести, во многом определяют плодородие почв. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа; они характеризуются большим содержанием органических веществ и микроорганизмов.

В почвоведении выделяют следующие виды увлажнения почвы: атмосферное, грунтово-атмосферное, грунтово-атмосферное с дополнительным поверхностным питанием и грунтово-атмосферное с дополнительным паводковым питанием [18].

В соответствии с балансом влаги (соотношением между ее поступлением и уходом (испарение и отток)) выделяют различные типы водного режима почв с разными значениями коэффициента увлажнения Ку: мерзлотный (Ку > 1); промывной (Ку > 1, тайга, лес, лесостепь — почвы дерново-подзолистые, лесные, черноземы); непромывной (Ку < 1, сухие степи, полупустыни — каштановые почвы, сероземы).

В почвенном разрезе (2,0—2,5 м) выделяют горизонты: почвенный — корнеобитаемый слой; подпочвенный, куда в некоторых зонах «промокание» не доходит; капиллярной каймы. Геологическая деятельность почвенных вод незначительна, однако агрономическое значение этих вод огромно, так как почвенная влага необходима для выращивания сельскохозяйственных культур.

Гравитационные подземные воды сосредоточены главным образом в зоне насыщения, где они образуют различные по условиям залегания и питания водоносные горизонты и системы водоносных горизонтов (комплексы, этажи, бассейны).

В зоне аэрации свободные гравитационные воды могут образовывать временно существующие водоносные горизонты, называемые верховодкой.

В зоне насыщения распространены грунтовые и межпластовые напорные или безнапорные подземные воды.

Взаимоотношения и связи верховодки, грунтовых и напорных вод могут быть самыми разнообразными, что зависит от геологоструктурных, геоморфологических, тектонических, литологических, климатических и других факторов и условий. Общая схема их взаимного расположения в разрезе показана на рис. 6.1.

Верховодка — это горизонт, который формируется за счет небольших скоплений в зоне аэрации вод временного, сезонного характера, имеющих гидравлическую связь с почвенными водами

Рис. 6.1. Схема соотношения верховодки, грунтовых и напорных вод [18]:

1 — верховодка; 2 — грунтовые воды; 3 — напорные воды; УВ — уровень верховодки; УГВ — уровень грунтовых вод; ПУНВ — пьезометрический уровень напорных вод; стрелками показано направление движения подземных вод

и залегающих на невыдержанных водонепроницаемых и слабопроницаемых слоях вблизи поверхности земли. Зимой она промерзает, а летом пересыхает. Верховодка всегда усложняет инженерно-геологические условия строительства, поскольку может быть не замечена при изысканиях. Иногда режим верховодки характеризуется относительной устойчивостью, и тогда ее воды используются для местного водоснабжения (например, в Тульской, Калужской и Смоленской областях используются воды, содержащиеся в покровных суглинках водоразделов).

Возникают верховодки вследствие просачивания с поверхности атмосферных осадков, поверхностных и оросительных вод и накопления их на линзах и прослойках слабопроницаемых пород, играющих роль местных водоупоров. Верховодки обычно залегают неглубоко и расположены в разрезе выше постоянных горизонтов грунтовых вод. Их воды расходуются в основном на испарение, транспирацию и питание грунтовых вод.

Особенности верховодки как своеобразного типа подземных вод:

• расположение в пределах пород зоны аэрации;

• временный характер, сезонность (обычно в периоды интенсивного выпадения атмосферных осадков и утечек воды из различных систем);

• ограниченность распространения (локальный характер предопределяется локальным распространением водоупоров);

• резкая зависимость ее запасов, режима и качества от климатических условий и хозяйственной деятельности человека;

• легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водоснабжения.

Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и уменьшении мерзлого слоя; осенью — после периода длительных дождей. Необходимым условием задержания влаги в породах должно быть переслаивание проницаемых и слабопроницаемых пород. Например, погребенные горизонты почв должны залегать в толще лёссов, линзы размытой глинистой морены — среди флювиогляциальных песчаных отложений, линзы и карманы суглинистых отложений — среди аллювиальных песков и т.д.

Обычно верховодка встречается в суглинках и лёссовидных отложениях на водораздельных плато. В районах распространения многолетней мерзлоты верховодка (воды сезонно-талого слоя) весьма своеобразна и широко распространена. Воды верховодки не имеют связи с реками. Уровень ее характеризуется крайней изменчивостью. В районах больших городов эти воды легко загрязняются. Для гидротехнического и гражданского строительства ее присутствие неблагоприятно.

По химическому составу воды верховодки неодинаковы: пресные и слабоминерализованные с повышенным содержанием кремнекисл оты, органического вещества и железа в северных районах и обычно минерализованные в южных районах (из-за испарения). При бурении скважин для целей водоснабжения верховодку необходимо тщательно изолировать при помощи обсадных труб во избежание загрязнения ею лежащих ниже водоносных горизонтов.

Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного горизонта, залегающего на относительно выдержанном водоупоре и имеющего свободную поверхность (рис. 6.2).

Сверху грунтовые воды обычно не перекрыты водоупорными отложениями, поэтому они имеют тесную связь с атмосферой и давление на их поверхности равно атмосферному давлению, т.е. поверхность грунтовых вод при вскрытии их скважинами устанавливается в них на той глубине, где они были встречены. Нередко поэтому грунтовые воды называют безнапорными (в отличие от напорных, имеющих избыточный напор над перекрывающей их водоупорной кровлей).

Условия залегания грунтовых вод на первом от поверхности выдержанном водоупоре предопределяют особенности их питания, распространения, движения и разгрузки. Области питания и рас-

Рис. 6.2. Различные соотношения между поверхностными и грунтовыми водами [19, 20]:

а — связь между водами отсутствует; б — река питает грунтовые воды; в — грунтовые воды питают реку; г — один берег реки питает грунтовые воды, а другой — дренирует. Стрелками показно направление движения вод, пунктиром — уровень

грунтовых вод (УГВ)

пространения грунтовых вод совпадают, т.е. их питание через зону аэрации осуществляется по всей площади их распространения. Поэтому расход потока грунтовых вод является величиной переменной (как правило, увеличивается по пути их движения). Основными источниками питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, поверхностные и конденсационные воды. Грунтовые воды имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и водоемами и в зависимости от соотношения их уровней либо разгружаются в них (дренируются), обеспечивая их подземное питание, либо питаются поверхностными водами (особенно при подпорах и в паводки). При изменении уровня воды в поверхностных водоемах изменяется уровень в гидравлически с ними взаимосвязанных горизонтах грунтовых вод.

Характерна также тесная зависимость режима уровней, качества и количества грунтовых вод от климатических факторов, процессов, протекающих в зоне аэрации, и инженерной деятельности человека (повышение уровней и запасов в дождливое время и понижение их в засуху, ухудшение качества вод при инфильтрации сточных вод).

Грунтовые воды разгружаются в виде источников, пластовых выходов, мочажин в местные понижения и поверхностные водотоки и водоемы. При залегании близко к поверхности (0—4 м) они могут разгружаться путем испарения через зону капиллярной каймы. На отдельных участках возможна гидравлическая взаимосвязь грунтовых вод с лежащими ниже напорными водами через отдельные литологические окна и участки размыва разделяющих их водоупорных толщ. При этом в зависимости от соотношения уровней взаимосвязанных горизонтов будет происходить либо питание, либо разгрузка грунтовых вод.

Грунтовые воды движутся от мест с их более высоким уровнем к местам с их пониженным уровнем, обычно от участков с повышенным рельефом и водоразделов в сторону местных понижений, оврагов, балок и речных долин. Разгружаются грунтовые воды в этих понижениях обычно в виде нисходящих источников. Поверхность грунтовых вод (зеркало), как правило, в несколько сглаженном виде соответствует рельефу местности. При этом гидравлические уклоны поверхности грунтовых вод обычно невелики и составляют в среднем 0,05-0,001. На отдельных участках уровень грунтовых вод может быть практически горизонтальным, что свидетельствует о незначительной скорости их фильтрации либо о полном ее отсутствии.

Наглядное представление об условиях распространения и движения грунтовых вод дает карта гидроизогипс, на которой показано положение поверхности грунтовых вод в изолиниях, соединяющих точки с одинаковыми отметками уровня подземных вод. Строят такую карту аналогично карте рельефа земной поверхности в горизонталях, используя результаты единовременных замеров уровня грунтовых вод во всех имеющихся скважинах, колодцах и в их естественных выходах.

Если наблюдается резкое изменение уровня грунтовых вод в различные периоды, то карты гидроизогипс составляют на эти характерные периоды и даты (например, когда уровень грунтовых вод бывает максимальным и минимальным). Для получения данных об изменении данного уровня проводят специальные наблюдения их режима (так называемые режимные наблюдения).

Карта гидроизогипс позволяет определять:

• направление движения грунтовых вод (по нормалям к гидроизогипсам);

• гидравлические уклоны и скорость фильтрации;

• глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей поверхности Земли и гидроизогипс водной поверхности);

• характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными (по характеру сопряжения гидроизогипс с поверхностными водоемами и направлению движения подземных вод)

и решать другие практические задачи.

Нередко на основе карты гидроизогипс составляют карту глубины залегания грунтовых вод (в изолиниях равных глубин или с выделением зон определенной глубины залегания грунтовых вод).

Такие карты широко используют при бурении скважин для целей водоснабжения, орошения и осушения.

Грунтовые воды распространены повсеместно там, где температурные условия верхней части литосферы допускают их накопление и существование в жидкой фазе. Изучение условий их формирования и распространения показало, что существуют определенные закономерности зонального распределения различных по происхождению типов грунтовых вод.

Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное значение: их широко используют для целей хозяйственно-питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и орошения. Основными типами широко используемых грунтовых вод являются грунтовые воды речных долин, ледниковых отложений, степей, полупустынь и пустынь, конусов выноса и предгорных наклонных равнин, горных районов, песчаных морских побережий.

В гидрогеологии определение грунтовых вод часто дается по С.Н. Никитину, который к этой категории относит только воды первого от поверхности земли выдержанного горизонта подземных вод, залегающего на водоупоре.

Разновидности подземных вод, залегающих вблизи поверхности земли под невыдержанным водоупором, называют водами межпластовыми, закрытыми или подземными (например, подземные воды предгорных конусов выноса или ледниковых отложений). Особенности грунтовых вод следующие:

• залегание вблизи поверхности земли в рыхлых отложениях изменчивой мощности, преимущественно четвертичного возраста, дренируемых реками или вскрываемых эрозионной сетью;

• если пласт первый от поверхности и не полностью насыщен водой, то воды ненапорные, а если пласт перекрыт невыдержанными по мощности слоями разной проницаемости, то воды обычно напорные;

• область питания совпадает с областью распространения, и питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; фильтрации из рек, озер и каналов; конденсации водяных паров и внутри грунтового испарения; подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов;

• глубина залегания уровня, температура, минерализация и расход грунтовых вод подвержены систематическим суточным, месячным, годовым и многолетним колебаниям;

• подземный сток грунтовых вод обычно направлен от водоразделов к речным долинам, где осуществляется их разгрузка в реки;

• режим грунтовых вод (инфильтрация и боковой приток, отток и испарение, а также баланс, условия формирования и стока) обычно тесно связан с современным климатом, рельефом и поверхностными водами.

Межпластовые безнапорные воды. Эти воды, как и грунтовые, имеют свободную поверхность, давление на которой равно атмосферному, но залегают они обычно между двумя водоупорными толщами (рис. 6.3).

Из-за этого межпластовые воды питаются на ограниченных участках (в областях выхода водовмещающих отложений на поверхность, на участках их взаимосвязи с поверхностными водотоками и напорными водами) и находятся в более благоприятных санитарных условиях, чем незащищенные с поверхности грунтовые воды.

В периоды интенсивного выпадения осадков и половодий уровни межпластовых вод могут повышаться вплоть до появления избыточных напоров над перекрывающей их водоупорной кровлей, тогда межпластовые безнапорные воды могут становиться напорными водами.

Таким образом, межпластовые безнапорные воды являются как бы промежуточным типом подземных вод — по гидравлическому характеру они безнапорные и аналогичны грунтовым водам, однако по условиям залегания близки к напорным водам.

Артезианские воды и бассейны. Под Парижем, в предместье Артуа, в 1126 г. неожиданно при бурении скважин были вскрыты фонтанирующие воды, которые получили название артезианских вод. В первое время артезианскими водами называли только воды, фонтанирующие выше поверхности земли, — «водометы», позднее этим понятием стали объединять все межпластовые напорные воды, за-

Рис. 6.3. Грунтовые и межпластовые ненапорные воды [11]:

7 — грунтовые воды; 2 — межпластовые ненапорные воды; 3 — разгрузка грунтовых вод в виде источников; W — инфильтрационное питание; УГВ — уровень грунтовых вод; УМНВ — уровень межпластовых ненапорных вод легающие в тектонических структурах, вогнутых или наклонных пластах, поднимающиеся над кровлей пласта в стволе скважины.

Для образования артезианских вод необходимы следующие условия:

• обилие атмосферных осадков в области питания, т.е. приуроченность ее к поясу избыточного увлажнения;

• породы области питания должны выходить на поверхность выше пунктов заложения скважин, т.е. необходимы наклон и изогнутость пластов, обусловливающие гидравлический, артезианский напор;

• оптимальные возможности водопоглощения, наличие хорошо проницаемых почв, в зоне аэрации — малое количество и небольшая мощность глинистых водоупорных горизонтов и толщ;

• наличие в области распространения или напора выдержанной глинистой кровли;

• высокая пористость, трещиноватость и водопроницаемость водовмещающих пород.

Отличительная черта артезианских вод — это наличие избыточного напора над поверхностью кровли водосодержащего пласта. При вскрытии напорных вод горными выработками их уровень под действием избыточного напора поднимается и устанавливается выше водоупорной кровли, соответственно положению пьезометрической поверхности напорного водоносного горизонта (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Схема артезианского бассейна [15]:

а — область питания; 6 — область напора; в — область разгрузки; г — область возможного самоизлива напорных вод; 1,2 — пьезометрический уровень напорных вод первого горизонта; 3 — восходящий источник; 4 — участок возможной гидравлической взаимосвязи напорных горизонтов (гидрогеологическое «окно»); 5 — напорные водоносные горизонты

Величину напора обычно определяют по положению пьезометрического уровня водоносного горизонта относительно горизонтальной плоскости сравнения О — О. Напорные воды расположены, как правило, ниже горизонтов грунтовых вод и характеризуются своеобразными условиями залегания, распространения, питания и разгрузки. Наличие водоупорной кровли, перекрывающей водоносный пласт, затрудняет питание и разгрузку напорных вод и их взаимосвязь с поверхностными водами и атмосферой.

Питание напорных водоносных горизонтов оказывается возможным лишь в области выхода водопроницаемого пласта на поверхность, где создаются условия для проникновения в пласт путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Как уже говорилось, эта область, имеющая меньшие размеры, чем область распространения напорных вод, называется областью питания. Она обычно расположена на наиболее высоких отметках, нередко на значительном удалении от областей распространения и разгрузки напорных вод.

В области питания подземные воды имеют свободную поверхность и тесную гидравлическую взаимосвязь с поверхностными водами. Область, в пределах которой подземные воды имеют избыточный над перекрывающей их водоупорной кровлей напор, называется областью напора (или областью распространения напорных вод). В этой области подземные воды, как правило, не получают питания по пути их движения (так как они изолированы в разрезе водоупорами) и расход их не изменяется. На отдельных участках возможен самоизлив напорных вод при вскрытии их скважинами там, где отметки пьезометрического уровня превышают отметки земной поверхности.

Разгрузка напорных вод происходит в области их выхода на поверхность (на пониженных по сравнению с областью питания участках), а также на участках естественного (реки, овраги, балки и т.п.) и искусственного (скважины, колодцы, шахты, карьеры и т.п.) вскрытия напорных вод.

В естественных условиях напорные воды, разгружаясь, образуют восходящие источники, ключи, грифоны и т.п., питают реки и другие поверхностные водоемы. Движутся напорные воды в направлении от областей питания к областям разгрузки. Интенсивность их движения уменьшается по мере увеличения глубины и удаления от областей питания.

Положение пьезометрической поверхности напорных вод характеризуется картой пьезоизогипс (гидроизопьез), которая составляется аналогично карте гидроизогипс грунтовых вод и представляет собой систему изолиний, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня. На карты пьезоизогипс наносят также изолинии отметок поверхности кровли и подошвы рассматриваемого напорного горизонта, что облегчает решение многих практических задач. Например, по карте пьезоизогипс определяют направления движения напорных вод, гидравлические уклоны, напоры, участки возможного самоизлива вод. Если известны мощность напорного горизонта и его фильтрационные свойства, то можно определить скорость фильтрации подземных вод и расход потока.

Напорные воды, изолированные от атмосферы (связь имеется лишь в области питания и разгрузки), характеризуются меньшей зависимостью их режима от климатических факторов, относительным постоянством уровней температуры и химического состава, меньшей загрязненностью и лучшим санитарным качеством воды. Поэтому их можно использовать для различных видов водоснабжения (хозяйственно-питьевого, производственно-технического, лечебно-питьевого, термального и др.) и орошения. При эксплуатации высоконапорных вод, находящихся в пластах под значительным давлением, большое практическое значение имеют их упругие запасы, высвобождающиеся из водоносных пластов при частичном снятии давления благодаря разуплотнению ранее сжатых пород и воды. Несмотря на незначительную сжимаемость воды и горных пород, упругие запасы напорных вод довольно велики, так как содержащие их водонапорные системы занимают значительные пространства.

В реальных природных условиях схема распространения, питания и разгрузки напорных вод зависит от геолого-структурных, тектонических, литологических, климатических и других особенностей того или иного района. В частности, напорные воды могут питаться и разгружаться на участках, где возможна их гидравлическая взаимосвязь с соседними напорными и безнапорными водоносными горизонтами через литологические гидрогеологические «окна», тектонические нарушения и участки с размывом разделяющих их водоупорных отложений.

Их интенсивная разгрузка возможна также на участках, где напорные воды вскрываются карьерами, котлованами, шахтами, водозаборными сооружениями, а в естественных условиях — через русловые и донные отложения рек, озер, морей (скрытая разгрузка). Пласты с напорными водами могут соединяться друг с другом или выклиниваться (исчезать), что обеспечивает своеобразные условия накопления и распространения напорных вод.

Напорные воды часто называют артезианскими, а вмещающие их геологические структуры (мульды, синклинали, моноклинали, впадины и др.) — артезианскими бассейнами.

В пределах артезианского бассейна могут иметься один или несколько напорных водоносных горизонтов или комплексов, взаимосвязанных или изолированных друг от друга водоупорными отложениями. Положение пьезометрических поверхностей, входящих в состав бассейна напорных водоносных горизонтов, зависит от высотного расположения областей их питания и разгрузки, а также от степени гидравлической взаимосвязи напорных горизонтов.

Пьезометрическая поверхность глубоко залегающих водоносных горизонтов в значительной мере определяется геостатическим давлением толщи вышележащих отложений. Значительно более высокие давления в центральных частях бассейнов, чем в краевых, могут вызывать движение подземных вод от центральных частей к краевым, т.е. к периферийным областям питания артезианских бассейнов.

Своеобразные бассейны напорных вод встречаются в предгорных и горных районах, где имеются моноклинальное залегание и выклинивание водовмещающих отложений, способствующие образованию так называемых артезианских склонов (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Схема артезианского склона [15]:

о — область питания; б — область напора; в — область разгрузки; 1 — свободный уровень подземных вод в области питания; 2 — пьезометрический уровень подземных вод в области напора; 3 — источники нисходящего и восходящего типов

в области разгрузки

Формирующиеся в области питания артезианского склона подземные воды разгружаются в виде источников восходящего и нисходящего типов в непосредственной близости от области питания. Напорный характер воды артезианского склона имеют в зоне их перекрытия водоупорными отложениями. Гипсометрически область напора находится на более низких абсолютных отметках, чем область разгрузки. В артезианских бассейнах с интенсивным движением подземных вод распространены, как правило, пресные ин- фильтрационные воды с невысокой минерализацией {зона интенсивного водообмена). Мощность зоны интенсивного водообмена в благоприятных условиях может составлять 1000 м и более.

В крупных артезианских бассейнах с небольшими по площади областями питания пресные воды приурочены к неглубоко залегающим водоносным горизонтам и комплексам. В более глубоко залегающих горизонтах, не охваченных интенсивным водообменом, широко распространены минерализованные и высокоминерализованные подземные воды различного состава (гидрокарбонатносульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные). Обычно эту зону называют зоной затрудненного водообмена.

В артезианских бассейнах с неблагоприятными условиями водообмена (незначительная разница в высотном положении областей питания и разгрузки, глубокое залегание и широкое региональное распространение напорных вод, закрытый характер водовмещающих структур и т.д.) ниже этой зоны находится зона весьма затрудненного водообмена, в пределах которой в водоносных горизонтах сохраняются седиментационные древние воды (воды морского происхождения). Таким образом, для артезианских бассейнов характерны определенные гидродинамическая и гидрохимическая зональности. Наличие и мощность каждой из зон и их взаимное расположение зависят от конкретных условий бассейна и совокупности факторов, определяющих формирование, накопление, движение и расходование подземных вод.

Напорные воды артезианских бассейнов имеют большое практическое значение не только как источник водоснабжения. В зависимости от их химического и газового состава, наличия в них биологически активных и промышленных микрокомпонентов, их температуры и других показателей напорные подземные воды широко используют в курортно-санаторном деле (минеральные воды), для промышленного извлечения солей и ценных микрокомпонентов (промышленные воды), для целей теплофикации, теплоэнергетики и теплично-парникового хозяйства (термальные воды). Примерами крупных артезианских бассейнов платформенного типа являются Западно-Сибирский, Московский, Прибалтийский, Днепровско- Донецкий и др.

Поровые воды — это воды, которые насыщают пористые породы (галечники, пески, слабо сцементированные песчаники, супеси, суглинки и т.п.). Количество воды, которое можно извлечь из таких пород в единицу времени, т.е. их дебит, зависит от гранулометрического состава, структуры и типа пористости породы, которые определяют скорость подтока воды к колодцу или скважине. Чем больше пор в горных породах, тем быстрее откачивается из них вода, так как ее движение происходит свободнее. Скорость движения подземного потока обычно достигает в лёссе и суглинистых породах 0,1—0,3 м/сут, в супесях и мелкозернистых песках — 0,5— 1,0 м/сут, в грубозернистых песках и мелком галечнике — от 1,5 до 10 м/сут.

Трещинные и карстовые воды. Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах по гидравлическому характеру могут быть как грунтовыми, так и напорными. Рассмотрение их как самостоятельного типа подземных вод вызывается лишь некоторым своеобразием вмещающих их коллекторов, что, в свою очередь, предопределяет некоторые особенности их накопления, распространения и движения.

Трещинные воды. Подземные воды, залегающие и циркулирующие в трещиноватых магматических, метаморфических и осадочных горных породах, называют обычно трещинными. Условия их залегания и распространения зависят от происхождения и характера трещиноватости горных пород. По происхождению выделяют три основных типа трещин: трещины выветривания, литогенетические и тектонические. Трещины выветривания возникают в процессе выветривания, что обусловливает наибольшую трещиноватость верхних слоев пород. Максимальная трещиноватость наблюдается на глубине первых 2—3 м, затем она постепенно уменьшается; иногда трещиноватость распространяется до глубины 200 м.

Наиболее водообильными являются трещины выветривания в породах, подверженных выщелачиванию (известняках, доломитах, меловых отложениях и т.д.). Менее водообильны трещины в метаморфических и изверженных породах. Трещинные воды современной коры выветривания обычно имеют свободную поверхность, т.е. являются грунтовыми. Подземные воды древней коры выветривания, перекрытые водоупорными отложениями, могут быть напорными.

Тектонические трещины находятся в зонах разломов, сбросов, надвигов и других тектонических нарушений. Они пересекают пласты разного состава, могут обладать значительной водообиль- ностью и иметь в глубину много сотен метров. Через тектонические трещины и нарушения может осуществляться гидравлическая связь различных водоносных горизонтов.

Наибольшая водообильность пород связана обычно с зонами разрывных тектонических нарушений (сбросов, взбросов), где нередко отмечаются дробление и интенсивная трещиноватость пород. Глубокие тектонические трещины и нарушения служат хорошими коллекторами для вывода на поверхность термальных и минеральных вод. Характерным примером является Колет-Датская зона тектонических нарушений, где из крупных сбросовых нарушений, проходящих вдоль подошвы Колет-Дата, выходят мощные термальные источники. Сильно обводненные тектонические трещины и нарушения при бурении скважин являются причиной значительного притока воды, разбавления глинистого раствора, повышения его температуры и других аномальных явлений. Среди различных видов трещин для подземных вод наиболее важны трещины двух типов — тектонические и вторичные (выветривания). Образование первых вызвано тектоническими причинами, часто они носят региональный характер, поскольку приурочены к участкам дробления горных пород (сбросы) и распространяются на глубину 100-500 м и более.

Воды, циркулирующие по трещинам магматических пород (гранитов, базальтов), называют трещинно-жильными водами, а воды, содержащиеся в трещинах и пустотах осадочных пород, трещинно-пластовыми. Особенности циркуляции и режима этих вод различны.

Напорные трещинно-пластовые воды образуются при наличии среди проницаемых пород прослоев более плотных пород и менее проницаемых пород. Режим вод тесно связан с климатом и характером трещиноватости. Минерализация вод небольшая, водообиль- ность резко возрастает от водоразделов к речным долинам, где раздробленность пород на определенных гипсометрических уровнях увеличивается. Многие трещинные воды Кавказа (типа мацесты, талги, нарзана) широко используются для лечебных целей. Запасы трещинных вод определяются размером трещин, для их количественной оценки проводятся специальные опытные нагнетания в скважины (метод удельного водопоглощения). Питание подземных вод трещиноватых пород осуществляется главным образом путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Поэтому по минерализации это преимущественно пресные воды. Подземные воды тектонических нарушений и трещиноватых пород фундамента, перекрытого мощной толщей осадочных отложений, могут быть высокоминерализованными (вплоть до рассолов).

Карстовые воды. Воды, приуроченные к подземным каналам и большим пустотам, образующимся в результате выщелачивания водами осадочных горных пород, называют карстовыми (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схемы залегания трещинно-карстовых вод [21]:

а — массив известняков с обособленными водотоками; б — массив со сплошным общим уровнем подземных вод; в — мульдообразное залегание (трещиноватость и водообильность приурочены к долинам); д — магматические породы, прикрытые

корой выветривания

Ниже указаны особенности карстовых подземных вод:

• воды пресные, обычно ненапорные, грунтового типа, как правило, имеют связь с поверхностными водотоками, из-за отсутствия водоупорной кровли часто легко загрязняются;

• уровни вод в мелком карсте залегают высоко, а в глубоком — низко, вблизи меженного уровня рек; междуречья обычно дренированы до уровня местного базиса эрозии;

• режим вод крайне неустойчивый, наблюдаются очень резкие колебания уровня, расхода и температур; глубина водной поверхности изменяется от 30 до 100 м;

• связь карстовых вод с водами рек довольно своеобразна: реки исчезают в закарстованных породах и, появляясь вновь, образуют мощные родники;

• движение вод сложное и разнонаправленное: в области питания вод — вертикальное, а в зоне полного насыщения — обычно горизонтальное, по уклону пластов к участкам разгрузки.

В карстовых массивах в зависимости от гипсометрического положения по отношению к базису дренирования выделяют три яруса карстовых вод, различающихся режимом и условиями движения:

1) верхний ярус — от поверхности земли до уровня грунтовых вод (зона аэрации). Здесь происходит вертикальное, гравитационное движение дождевых и снеговых вод, а при наличии местных водоупоров образуются «висячие» карстовые воды;

2) промежуточный ярус, или ярус периодического полного насыщения. В зависимости от времени года колебания глубины уровня достигают больших величин (после выпадения дождей несколько десятков метров). Здесь благодаря вертикальному и горизонтальному движению вод формируются так называемые пещерные горизонты, обычно имеющие в длину сотни метров;

3) ярус постоянного полного насыщения, где движение вод преимущественно горизонтальное. Здесь происходит питание некоторых рек и родников. Карстовые воды в глубоких пещерах циркулируют много ниже уровня различных местных базисов эрозии. Температура вод более или менее постоянная, близкая к среднегодовой температуре.

Карст сильно влияет на гидрологию местности, уменьшая зональный поверхностный сток и превращая его в подземный сток. Растворимые осадочные породы (карбонатные, сульфатные) широко развиты в природе, поэтому с различными карстовыми явлениями часто встречаются при строительстве. Известняково-доломитовые массивы с карстом часто являются основанием различных гидротехнических сооружений (крупных плотин), поэтому служат объектом тщательного инженерно-геологического изучения, так как наличие карста крайне осложняет строительство, а карстовые воды из-за повышенной жесткости обычно агрессивны по отношению к бетону. Карстовые воды широко распространены в России (Крым, Северный Кавказ, Приуралье, Ленинградская и Свердловская области), Прибалтике, Средней Азии, Центральном Казахстане, Югославии, Чехии, Испании.

Подземные воды зоны многолетней мерзлоты. Зона отрицательных многолетних температур занимает около 14% площади суши. В СНГ она охватывает огромную площадь — более 10 млн км2, или 49% ее территории (рис. 6.7).

Многолетняя мерзлота не представляет собой единого щита, а носит то островной, то слоистый (ярусный) характер, иногда она пронизана участками глубоких, сквозных таликов, составляющими в целом большие площади (рис. 6.8).

Многолетнемерзлыми называют горные породы, длительное время сохраняющие отрицательную температуру (минус 3—4°С), содержащие прослойки льда, иногда значительной мощности. Наличие многолетнемерзлых пород вносит много особенностей в природные и, в частности, в гидролого-почвенно-мелиоративные условия. В этих породах значительно уменьшается испарение.

Рис. 6.7. Распространение многолетней мерзлоты на территории стран СНГ [21]:

7 — сплошная мерзлота; 2 — мерзлота с талыми грунтами; 3 — мерзлота с преобладанием таликов; 4 — мерзлота островного характера

Рис. 6.8. Схема формирования многолетнемерзлых пород с севера на юг [16]:

7 — многолетнемерзлые породы; 2 — сквозные талики; 3 — движение подземных

вод

По мнению некоторых ученых, присутствие мерзлых пород способствует в сухих районах Сибири накоплению влаги. Все подземные воды описываемой территории подразделяются на над-, меж- и подмерзлотные.

Надмерзлотные воды. Воды сезонно-талого слоя (верховодка) зимой промерзают. Значение этих вод для водного режима почв и их плодородия исключительно велико. Верховодка приурочена к опесчаненным разностям глин, супесям и пескам; она широко развита в понижениях рельефа на водораздельных пространствах, реже — на склонах. Водоупором служат мерзлые породы, залегающие на различной глубине.

Межмерзлотные воды. Морфология массива мерзлых пород весьма разнообразна. В одних случаях они образуют сплошную толщу мощностью до 500 (п-ов Таймыр) и даже 1100—1300 м (верховье р. Мархи за Полярным кругом), в других — представляют собой отдельные значительные острова, часто пронизанные таликами, иногда глубокими, сквозными.

Подмерзлотные артезианские воды. Они широко распространены, по минерализации разнообразны — от пресных, используемых для водоснабжения (Якутск, Вилюйск), до рассолов. Однако вскрытие и эксплуатация этих вод связана с рядом трудностей.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
 
Популярные страницы