Види води в породах

За характером зв’язку з частками породи, мірою обводнення цих часток і способом переміщення підземні води поділяють на кілька видів.

1.Гігроскопічна (або міцно зв’язана) вода - утворюється за рахунок того, що водяна пара обволікає частку породи шаром в одну молекулу. Молекули гігроскопічної води досить тісно зв’язані з частками гірської породи завдяки електромолекулярним силам; перебуває під великим тиском і тому не може вільно переміщуватись; відокремлюється від породи лише при нагріванні до 105 - 110⁰С. Водяна пара може вкривати породу суцільним або несуцільним шаром (рис. 4.2).

2.Плівкова вода - обволікає частки породи суцільним шаром у кілька разів молекул і утримується на поверхні часток гірської породи завдяки електромолекулярним силам. Це рихлозв’язана вода, вона здатна переміщуватись у породі з однієї частки на іншу в напрямку від більш вологих ділянок до сухіших.

3.Капілярна вода - це вода, яка заповнює частково або повністю капілярні пустоти породи. Ця вода утримується силами поверхневого натягу; переміщається завдяки силам поверхневого натягу і силам тяжіння. Капілярна вода має різновиди.

Капілярно-підвішена вода - вода, яка формується у верхній частині грунтового шару за рахунок атмосферних опадів і не зв’язана з грунтовими водами, що залягають нижче.

Капілярно-піднята вода - вода, яка розміщується над горизонтом грунтових вод і формується завдяки підняттю вологи від їхнього рівня.

4.Гравітаційна вода (або вільна вода) - вода в рідкому стані, яка заповнює всі пустоти породи і переміщається під дією сил гравітації і гідростатичного тиску. Ця вода бере участь у кругообігу води в природі.

5.Вода в твердому стані - це гравітаційна вода, що замерзла при температурі 0⁰С і нижче; перебуває в гірських породах у вигляді кристалів, прошарків чи лінз льоду. При замерзанні гірської породи не вся вода переходить у твердий стан. Гігроскопічна, плівкова та частково капілярна залишається у рідкому стані, тому що температура замерзання цих різновидів води значно нижча за 0⁰С. Так, гігроскопічна вода замерзає лише при температурі - 78⁰С.

Рис. 4.2. Види води в породах:

1,2 – частки породи з гігроскопічною водою (1 – неповна гігроскопічність, 2 – максимальна гігроскопічність); 3 – плівкова вода (стрілками показаний напрям переміщення плівкової води); 4 – розміщення деяких видів води між частками породи; а – частка породи; б – плівкова вода; в – вода кутів пор; г – повітря у порах породи.

6.Пароподібна вода - це вода в пароподібному стані, водяна пара. Разом з повітрям вода заповнює пустоти, куди надходить з наземного повітря або за рахунок процесів підземного випаровування інших видів води. Така вода завжди перебуває в русі і рухається від місць з більшою пружністю водяної пари до місць, де пружність її менша. Пароподібна вода за відповідних температурних умов частково конденсується в краплинно-рідку воду і поповнює гравітаційну воду. Ця вода бере активну участь у кругообігі води в природі.

7.Хімічно зв’язана вода - це вода, яка входить до складу мінералів, проте в кристалічній решітці вона перебуває у вигляді гідроксильного та водневого іонів - ОН^-, Н⁺, а також іона оксинію Н₃О^-. Вона найміцніше зв’язана з мінералами і виділяється при температурі 500 - 600⁰С при повному розпаді мінералу, в якому вона міститься. Прикладом може бути тальк, каолін, діаспор.

До хімічно зв’язаної води належить також цеолітна вода, яка входить до складу групи мінералів цеолітів. У мінералах ця вода міститься у вигляді молекул Н₂О, де займає пустоти каркасу кристалічної решітки.

8.Кристалізаційна вода - ця вода є складовою частиною мінералів і входить в їхню кристалізаційну решітку у вигляді молекул Н₂О. Виділення їх з мінералів відбувається при температурі 300 - 400⁰С. Прикладом мінералів, що утримують кристалізаційну воду є гіпс, мірабіліт, сода.

4.2.4.Вологість і водні властивості порід

Природна вологість - це вміст води в породі за природних умов і виражається відношенням маси води в породі до маси породи після її висушування при температурі 105 - 110⁰С:

W = (m_в / m_с) 100 % = [(m_n - m_с) / m_с] 100 %,

де W - вологість, m_в - маса води в породі, m_с - маса сухої породи, m_n - маса проби породи до висушення.

Вагова вологість - це вологість породи, яка визначається відношенням маси води в породі до маси сухої породи. Розрізняють ще:

об’ємну вологість - це відношення об’єму води, що міститься в породі, до об’єму всієї породи;

відносну вологість - відношення об’ємної вологості до пористості породи показує ту частину пор, яка зайнята водою. В абсолютно сухій породі відносна вологість дорівнює нулю, а при цілковитому заповненні пор водою - одиниці.

Вологоємкість - здатність порід вбирати і утримувати в собі певну кількість води. Розрізняють породи досить вологоємкі (торф, глини, суглинки), слабко вологоємкі (крейда, пухкі пісковіки), невологоємкі (скельні породи, галечники). Розрізняють вологоємкість повну, капілярну, найменшу(або польову) та максимальну молекулярну.

Повна вологоємкість - це максимальний вміст води в породі при повному насиченні її пор.

Капілярна вологоємкість - це найбільша кількість води, яка утримується в капілярах породи при повному її насиченні.

Максимальна молекулярна вологоємкість - це найбільша кількість гігроскопічної та плівкової води, яка утримується лише силами молекулярного притягання часток породи.

Найменша, або польова вологоємкість - максимальна кількість води, яка не заповнює пори, а знаходиться лише на поверхні часток породи і утримується капілярними силами і силами адсорбційної дії.

Водовіддача - це здатність водонасиченої породи віддавати воду шляхом вільного стікання. Величина водовіддачі визначається відношенням об’єму води, що вільно стекла, до об’єму всієї породи. Величина водовіддачі залежить від гранулометричного складу або розміру та стану тріщин і пустот.

Дефіцит вологи, або недостача насичення - це кількість води, яка може додатково вміститись у породі в природних умовах вологості і визначається за різницею між повною вологоємкістю і природною вологістю.

4.2.5.Фільтраційні властивості порід

Водопроникність - це здатність порід пропускати крізь себе воду. Кількісно водопроникність визначається величиною коефіцієнта фільтрації.

Коефіцієнт фільтрації - відображає швидкість фільтрації води при напірному градієнті, рівному одиниці і виражається в м/добу, см/с, м/с. Розуміння суті цього коефіцієнту базується на законі Дарсі, за яким кількість води (Q), що просочується крізь породу за одиницю часу, прямо пропорціональна коефіцієнту фільтрації (к), падінню напору (h), площі поперечного перетину породи (F) та обернено пропорціональна довжині шляху фільтрації (L):

Q =

Падіння напору (h) - це різниця рівнів (h = Н₁ - Н₂) у двох точках підземного потоку.

П’єзометричний похил, або гідравлічний градієнт - це відношення падіння напору і довжини шляху фільтрації (h/L).

За фільтраційними властивостями, всі гірські породи поділяють на три групи: водопроникні (галька, гравій, добре відсортований чистий пісок, закарстовані та тріщинні породи); напівпроникні (глинисті піски, торф, лесовидні, скельні, напівскельні та закарстовані породи, пустоти і тріщини яких заповнені дрібнозернистими і глинистими відкладами); водонепроникні, або водотривкі (глини та масивно-кристалічні породи).

4.2.6.Рух підземних вод

До характеру порід у природі існує два види руху: гравітаційних підземних вод – ламінарний та турбулентний.

Ламінарний рух - окремі струмені води переміщаються паралельно, з незначними швидкостями, утворюючи суцільний потік, і спостерігаються в породах з малими порами (тріщинами). Ламінарний рух підлягає закону Дарсі, згідно якого швидкість фільтрації води прямо пропорціональна коефіцієнту фільтрації (К) і напірному градієнту (і):

V = Кі

Турбулентний рух - характеризується великими швидкостями, завихреннями, порушеннями суцільного потоку і спостерігається в тріщинуватих породах з широкими тріщинами. В природі він узгоджується з закономірністю Шезі-Краснопольського, за якою швидкість руху виражається формулою:

V = С Rі ,

де V - швидкість руху підземних вод, м/добу;

С - емпіричний коефіцієнт;

R - гідравлічний радіус, м;

і - градієнт.

Турбулентний рух у природі спостерігається дуже рідко - лише у великих тріщинах, при надходженні води в гірничі виробки чи водозабірні споруди.

4.2.7.Умови залягання підземних вод

У верхній частині земної кори виділяють дві зони: зону аерації і зону насичення.

І. Зона аерації - це крайня верхня частина земної кори; вона характеризується наявністю атмосферного повітря і водяної пари в пустотах гірських порід і частковим заповненням пустот гравітаційною водою. В цій зоні знаходяться верховодка і води грунтового шару.

Верховодка - це підземні води, які залягають поблизу земної поверхні (в зоні аерації). Основні риси верховодки - невтримність у вертикальному розрізі і по площі, непостійність у часі та незначна потужність обводнених порід. Верховодка накопичується переважно на поверхні глин, суглинків та інших слабопроникних порід і зазнає різного роду змін, спричинених гідрометеорологічними умовами. До верховодки О.М.Овчинніков відносить капілярні води зони аерації, води піщаних масивів і дюн, такирів, бугристих пісків та, з певною умовністю, болотні води.

Води грунтового шару - це тимчасове накопичення вільної (гравітаційної) і капілярної води в товщі грунту. Ці води мають зв'язок з атмосферою і живлять рослини.

ІІ. Зона насичення - пори, тріщини та інші пустоти гірських порід цілком заповнені гравітаційною водою.

Грунтові води - це гравітаційні води першого від поверхні постійного водоносного горизонту; залягають, як правило, у пухких відкладах четвертинного періоду, проте можуть залягати і між водотривкими горизонтами порід різного віку, а також у дочетвертинних скельних утвореннях аж до кристалічних порід докембрійського періоду включно.

Грунтові води, які знаходяться в тріщинних скельних породах, називають тріщинно-грунтовими, а в порожнинах закарстованих порід - карстовими.

Поверхня грунтових вод називаєтьсядзеркалом грунтових вод.

Водотривкий горизонт - це водонепроникні породи, які підстеляють грунтові води.

Потужність або товщина горизонту грунтових вод- це відстань між дзеркалом грунтових вод і водотривким горизонтом.

Глибина залягання грунтових вод - це відстань від земної поверхні до дзеркала грунтових вод. На території України глибина залягання грунтових вод коливається від 0,0 - 0,5 м (в болотних і алювіальних відкладах в північно-західній її частині) до 10 - 20 м, рідше до 25 м (у лесовидних суглинках в південних районах).

Грунтові води тісно зв’язані з водами річок, озер, водосховищ, морів, а також штучно створених каналів. Виділяють три типи взаємодії грунтових вод з поверхневими:

1. Наявність постійного гідравлічного зв’язкуподіляють на два підтипи:

- наявність одностороннього гідравлічного зв’язку - низьке положення водотривкої породи і рівня грунтових вод на протязі року; річка за таких умов постійно живить грунтові води;

- наявність двостороннього гідравлічного зв’язку - більш високе положення водотривкої породи; річка живить грунтові води лише в період водопілля, а в межень, навпаки річка живиться грунтовими водами.

2. Наявність тимчасового гідравлічного зв’язку - ще більш високе положення водотривкої породи; річка живить грунтові води в період водопілля, а в межень - грунтові води живлять річку і на схилах річища в цей період виникають мочажини, джерела або ключі.

3. Відсутність гідравлічного зв’язку - при дуже високому положенні водотривкої породи як в період водопілля, так і в межень гідравлічного зв’язку між грунтовими і поверхневими водами немає.

Нижче від зони аерації та зони насичення у земній корі знаходяться артезіанські (напірні) води.

Артезіанські води - це підземні води, які залягають між водотривкими горизонтами, перебувають під напором, при розкритті їх буровими свердловинами піднімаються вище підошви верхнього водотривкого горизонту. Одержали свою назву в ХІІ ст. від провінції Артуа у Франції.

Артезіанський басейн - гідрологічні структури синклінального типу, які утримують один або декілька водоносних горизонтів з напірними водами. Артезіанський басейн складається з трьох областей: живлення, напору і розвантаження підземних вод.

Область живлення артезіанського басейну - область, де підземні води поповнюються за рахунок атмосферних опадів та поверхневих вод. В області живлення артезіанського басейну поширені лише грунтові або слабонапірні підземні води.

Область напору - це та частина артезіанського басейну, в якій рівень підземних вод може піднятися вище підошви водотривкої покрівлі водоносного горизонту. Відстань від водотривкої підошви до рівня напірних вод по вертикалі, називається напором, або п’єзометричним рівнем.

Область розвантаження артезіанського басейну - це та частина басейну, де напірні води виходять на денну поверхню у вигляді джерел або потрапляють у річки, озера, моря. В гіпсометричному відношенні вона розташована нижче області живлення та напору.

Артезіанські і грунтові води часто перебувають у тісних взаємозв’язках, що залежить від геологічної будови території поширення підземних вод. Так, в одних випадках грунтові води поповнюють напірні водоносні горизонти, а в інших - останні підживляють грунтові води.

Джерело - це природний вихід на денну поверхню грунтових (безнапірних) вод. Джерела бувають:

Низхідні джерела - вихід грунтових вод на денну поверхню, вода вільно збігає в товщі водоносної породи з підвищених ділянок рельєфу на нижчі.

Висхідні джерела - це джерела біля виходу на поверхню напірних вод, вони формуються з вод, які піднімаються вгору з нижніх водоносних шарів.

Глибинні підземні води - це напірні води, які залягають на великих глибинах; розвантажуються шляхом надходження по тектонічних тріщинах або розломах у водоносні горизонти, що залягають вище, або виходять безпосередньо на денну поверхню у вигляді джерел.

4.2.8.Водний баланс і режим підземних вод

Водний баланс підземних вод

Рівняння водного балансу для поверхні басейну:

x = y_пов + y_інф + z_пов ±∆ u_пов,

де: х – опади, на поверхні басейну;

у_пов – поверхневий стік;

у_інф – вода, яка надходить до зони аерації в процесі інфільтрації;

z_пов – випаровування з поверхні басейну;

±∆ u_пов – зміна запасів води на цій поверхні.

Рівняння водного балансу для зони аерації:

у_інф + z_гр.в = y_грунт. + y_{жив.гр.в} + z_тр + z_з.а ± ∆u_з.а,

де: у_інф – надходження води в процесі інфільтрації з поверхні;

y_грунт. – стік у грунтовому шарі;

y_{жив.гр.в} – вода, яка надходить із зони аерації до грунтових вод і бере участь в їхньому живленні;

z_гр.в – випаровування з поверхні грунтових вод;

z_тр – поглинання води із зони аерації кореневою системою рослин і, яка витрачається потім на транспірацію, а частково на збільшення біомаси рослин;

z_з.а – підземне випаровування води із зони аерації і витрати її в атмосферу;

± ∆u_з.а - зміна запасів води в зоні аерації.

Рівняння водного балансу для водоносного горизонту:

у_{жив.гр.в} = у_гр.в + z_гр.в ± y_гл ± ∆u_гр.в,

де: у_{жив.гр.в} – живлення грунтових вод із зони аерації;

у_гр.в – стік грунтових вод;

z_гр.в – випаровування з поверхні грунтових вод;

± y_гл – живлення грунтових вод із глибини напірних горизонтів або розвантаження грунтових вод у ці глибинні горизонти;

± ∆u_гр.в – зміна запасів води у водоносному горизонті грунтових вод.

Водний режим зони аерації

Водний режим зони аерації визначається режимом надходження до неї інфільтруючих вод після дощів або сніготанення. Зміна вмісту води в зоні аерації залежить від співвідношення складаючих рівняння водного балансу.

Розрізняють три основних типи водного режиму зони аерації: промисловий, компенсований та випарний.

Промисловий тип водного режиму – величина інфільтрації (у_інф) перевищує втрати на десукцію кореневої системи рослин (z_тр) і підземне випаровування (z_з.а.): у_інф > z_тр + z_з.а.

При компенсованому типу водного режиму: у_інф ~ z_тр + z_з.а

Випарний тип режиму характеризується переважанням транспірації і підземного випаровування над інфільтрацією: у_інф < z_тр + z_з.а

Режим підземних вод

Режим підземних вод - це зміна їхніх рівнів, температури та хімічного складу в просторі і часі під впливом метеорологічних, гідрологічних, геологічних, геоморфологічних, біогенних факторів та діяльності людини. Г.М.Каменський виділяє кілька типів режиму підземних вод в залежності від того, який з факторів або група їх є головними у формуванні режиму.

1.Прибережний тип режиму - властивий підземним водам, які тісно пов’язані з поверхневими водами; формується під впливом змін рівнів, температури та хімічного складу, які відбуваються в річках, озерах, морях або інших водоймах.

2.Вододільний тип режиму характерний для підземних вод тих частин вододілів, які значно віддалені від річок та інших поверхневих водойм і формується переважно під впливом кліматичних факторів, серед яких головне місце займають атмосферні опади.

3.Мішаний тип режиму - це результат накладання коливань, які спричинені коливаннями рівнів поверхневих вод і атмосферними опадами. Спостерігається такий тип режиму на ділянках, розташованих між частинами вододілу, на яких формується прибережний та вододільний типи.

4.Карстовий тип режиму утворюється в зоні інтенсивного поглинання поверхневих вод у карстових районах. Д.С.Соколов виділяє чотири зони циркуляції підземних вод у вертикальному розрізі закарстованих порід.

Перша зона - зона аерації - це зона, в якій здійснюється інфлюація води.

Друга зона - зона сезонних коливань рівня підземних вод - рух карстових вод залежно від пори року може відбуватись і в горизонтальному, і у вертикальному напрямку. В засушливі періоди року вони рухаються переважно зверху вниз, у багатоводні періоди - рухаються в горизонтальному напрямку.

Третя зона - зона повного насичення - підземні води в цій зоні рухаються лише в бік найближчої дренуючої долини.

Четверта зона - зона глибокої циркуляції підземних вод - рух підземних вод обумовлюється загальними геолого-структурними особливостями регіону і підпорядкований положенням загального базису стоку.

5.Мерзлотний тип режиму підземних вод має місце в зоні багаторічної мерзлоти. Н.І.Толстихін підземні води цієї зони поділяє на три категорії: надмерзлотні, міжмерзлотні і підмерзлотні.

1. Надмерзлотні підземні води - це підземні води, які залягають вище товщі порід багаторічної мерзлоти. Це грунтові води, які пов’язані переважно з четвертинними пухкими породами. Живлення їх відбувається за рахунок атмосферних опадів та відтавання діяльного шару і тому коливання рівнів цих вод збігається з коливаннями температури повітря і атмосферних опадів. Взимку надмерзлотні підземні води можуть промерзати цілком, а влітку - поєднуються з шаром порід, які розтанули.

2. Міжмерзлотні підземні води залягають у товщі порід багаторічної мерзлоти і можуть перебувати в твердому і рідкому стані.

Талики - ділянки, де в шарах багаторічної мерзлоти вода перебуває в рідкому стані. Талики служать каналами, які з’єднують надмерзлотні і підмерзлотні води і по яких відбувається живлення підмерзлотних вод за рахунок атмосферних опадів.

3. Підмерзлотні підземні води - це підземні води в рідкому стані і які залягають під шарами багаторічної мерзлоти; вони здебільшого мають напір і за умовами залягання та циркуляції не відрізняються від напірних артезіанських вод за межами районів багаторічної мерзлоти.

7. Штучний тип режиму підземних вод - цей режим формується під впливом штучних водойм та в районах проведення різних видів водної меліорації (зрошення, обводнення, осушення тощо). В районах зрошення та обводнення часто підвищуються рівні грунтових вод, а в районах осушувальної меліорації - знижуються.

4.2.9.Роль підземних вод у фізико-географічних процесах

Під дією підземних вод розвиваються фізико-географічні процеси, які ведуть до формування складних форм рельєфу. Найбільш відомими явищами є: карст, суфозія, зсуви, заболочування.

Карст – це природне явище, спричинене взаємодією води з вапняками, доломітами, гіпсами, солями, що призводить до поступового розчинення і руйнування цих порід. Внаслідок розвитку карстового процесу виникають поверхневі та підземні карстові форми рельєфу, карстові порожнини, карстові відклади. В Україні карст відомий у Криму, на Волині, Подолі, Донецькому Кряжі та в інших місцях.

Суфозія – це просідання земної поверхні на певних ділянках в результаті вилуговування і винесення розчинних складових порід підземними водами.

Зсуви – сповзання перенасичених вологою мас гірських порід під дією сили земного тяжіння. В Україні зсуви відомі в Карпатах, Криму, на узбережжі Чорного і Азовського морів, на берегах Дніпра та інших річках.

Заболочування – це місця, де рівні грунтових вод залягають близько від поверхні Землі або підземні води виходять на денну поверхню у вигляді джерел і часто формуються болота та перезволожені землі.

4.2.10.Розповсюдження підземних вод

Розповсюдження підземних вод- це поширення підземних вод у товщі земної кори як по площі, так і у вертикальному розрізі. Зумовлене це поширення геологічною будовою території та її кліматичними умовами. За ознаками геологічної будови територію поширення підземних вод можна віднести до артезіанського басейну або до складчастої області.

Складчаста область поширення підземних вод - це підвищена тектонічна структура, складена тріщинуватими кристалічними або метаморфічними породами. На території України поширені такі складчасті області: Донецька, Українського кристалічного щита, Гірського Криму і Українських Карпат.

Артезіанський басейн - це тектонічна структура у вигляді прогину, виповнена різновіковими нашаруванями гірських водоносних та водотривких осадових порід, що перемежовуються і створюють горизонти підземних артезіанських вод. На території України поширені такі артезіанські басейни: Дніпровсько-Донецький, Волино-Подільський і Причорноморський.

Зональність грунтових вод – це певна закономірність у поширенні грунтових вод у земній корі з характерними особливостями в кожному ландшафті.

У вертикальному розрізі геологічних структур М.К.Ігнатович виділив такі три зони:

Зона активного водообміну - це зона впливу дренування водоносних порід річковою системою. Ця зона досягає глибини до 300 м і більше.

Зона ускладненої циркуляції - це зона, яка охоплює глибокі частини артезіанських басейнів і тектонічних порушень у складчастих областях. Водообмін в цій зоні уповільнений, а підземний стік ускладнений. Глибина цієї зони в артезіанських басейнах 500 - 600 м, а в складчастих областях - 1 000 - 2 000 м (термальні води).

Зона застійного водного режиму - це зона глибокого залягання осадового комплексу артезіанських басейнів. Водообмін в цій зоні проходить в масштабах геологічного часу, а її глибина - 1 000 м і більше.