Водные свойства горных пород
Наличие в горных породах той или иной природы действующих сил определяет и их водные свойства: влагоемкость, естественную влажность, водоотдачу, недостаток насыщения и водопроницаемость.
Влагоемкость — способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды. По степени влагоемкости все породы можно подразделить на весьма влагоемкие (торф, ил, суглинок, глина), слабо влагоемкие (мергели, мел, рыхлые песчаники, лёсс, мелкие пески) и невлагоемкие (массивные изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, песок и т.д.).
Количество воды, соответствующее полному насыщению породы, определяет ее полную влагоемкость.
Все виды влагоемкости выражаются обычно в % массы соответствующего вида воды к массе сухой породы.
Различают также естественную влажность We, которая характеризует горные породы в естественном их залегании, и дефицит насыщения породы Dп — разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью породы.
Определение естественной влажности имеет большое практическое значение, особенно при оценке физико-химических свойств горных пород.
Водоотдача — способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду путем ее свободного вытекания.
Водопроницаемость — способность горных пород пропускать через себя воду при наличии перепада давления. Водопроницаемость не зависит от пористости, а зависит от размера пор..
2.2.5. Понятие о водоносных пластах и горизонтах, комплексах и бассейнах подземных вод
Различные пористость и трещиноватость горных пород приводят к неравномерному распределению воды не только в зоне аэрации, но и в зоне насыщения. Поры и трещины небольшого размера хотя и позволяют породе содержать значительные количества воды, но затрудняют ее движение, что делает породу слабо проницаемой, и, наоборот, большие поры и трещины способствуют свободному перемещению подземных вод. Поэтому в гидрогеологическом отношении все породы делятся на три группы:
1) водопроницаемые — галечники, гравий, песок, рыхлые песчаники и все сильно трещиноватые породы;
2) полупроницаемые — глинистые пески, лёсс, известняки, песчаники и слабо трещиноватые метаморфические и магматические породы;
3) практически непроницаемые — глины, суглинки и все массивные кристаллические и осадочные породы, если они не трещиноватые.
2.2.5.1. 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.
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 пьезометрическую поверхность.
На картах зеркало подземных вод изображается с помощью гидроизогипс, а пьезометрическая поверхность — гидроизопьез.Следовательно, первые представляют собой линии равных отметок реально существующей поверхности, водоносного горизонта, а вторые — линии равных напоров или отметок пьезометрической поверхности.
Основными элементами водоносного горизонта являются область питания, область распространения и область разгрузки, которые представляют собой участки поверхности или части геологических структур, определяющие гидродинамику водоносного горизонта (скорость, направление движения, напор и т.д.).
1. Область питания — это зона, в пределах которой атмосферные осадки могут проникать в гидравлическую систему. Преобладающими направлениями движения подземных вод в этой части водоносного горизонта могут быть нисходящее вертикальное и частично горизонтальное. Водоносный горизонт в этой зоне непосредственно связан с зоной аэрации, обеспечивающей его питание. Вместе с тем питание водоносных горизонтов происходит не только атмосферными осадками или поверхностными водами, но и за счет других водоносных горизонтов. В этом случае говорят о закрытой или внутренней области питания.
2. Область распространения (напора) подземных вод — промежуточная 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 подземных 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.
А.М. Овчинников предлагает различать стоки разгрузку подземных вод. Первое характерно для вод, имеющих свободную поверхность, а второе — для напорных вод.
Расход, или дебит, любого родника зависит от четырех основных переменных:
1) проницаемости пород;
2) площади области питания;
3) объема питания
4) геологического строения места выхода воды.
2.2.5.2. Более крупной единицей гидрогеологической стратификации является водоносный комплекс, который представляет собой группу гидравлически связанных между собой водоносных горизонтов, одинаковых или разных по литологическому составу, разделенных слабо водопроницаемыми породами относительно небольшой мощности и имеющих близкие условия питания и разгрузки. В отличие от водоносных горизонтов в водоносном комплексе напоры подземных вод могут, хотя и незначительно, изменяться в вертикальном разрезе, что определяется степенью проницаемости пород отдельных горизонтов.
2.2.5.3. Система водоносных комплексов, связанная единой областью питания и разгрузки, образует бассейн подземных вод. Последние широко развиты в пределах различных геологических структур: синеклиз, мульд, краевых и предгорных прогибов, межгорных впадин, грабенах, зонах тектонических разломов и т.д. Бассейны, заполненные напорными водами, называются артезианскими.
Самым крупным подразделением геологической стратификации является гидрогеологический этаж или водоносная формация(мнение исследователей в этом вопросе расходятся). В нее объединяются водосодержащие литологически и генетически однородные, хотя часто и разновозрастные бассейны, характеризующиеся близкими условиями залегания, распространения, питания и разгрузки подземных вод.
Водоносные формации часто разделяются регионально выдержанными водоупорами и включают несколько водоносных комплексов. Каждая такая формация отличается от другой историей палеогидрогеологического развития, гидродинамическими и гидрогеологическими особенностями.
2.2.6. 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.
Свежесформированный осадок в бассейнах седиментации представляет собой в подавляющем большинстве случаев рыхлое или текучее тело, резко обводненное, богатое микроорганизмами и состоящее из весьма разнородного химико-минералогического материала. Важнейшей чертой этого осадка является наличие большого количества воды. По мере того, как происходит погружение зоны осадконакопления в результате давления перекрывающих слоев и уплотнения илов, ведущего к превращению их в породы, содержание воды в илах начинает уменьшаться. Уплотнению подвергаются и образующиеся из илов глины вплоть до превращения их в сланцы. При этом идет снижение пористости и выжимание воды. Последнее особенно характерно для глинистых осадков.
Несмотря на то, что пористость горных пород с глубиной неуклонно уменьшается, но даже на значительных глубинах (6-10 км) встречаются зоны с высокой пористостью и проницаемостью.
Отжимаемая из иловых осадков вода сначала возвращается в водоем, где происходит осадконакопление. В дальнейшем она отжимается в коллекторские пласты, преимущественно песчаные, залегающие между уплотняемыми слоями глин. В песчаных пластах с 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.
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.
Следовательно, первый этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением осадков на большие глубины, может быть назван седиментационным. Его формирование происходит в условиях отжатая воды из захороняющихся горных пород, т.е. в условиях элизионного режима.
Геологический круговорот воды седиментационным этапом не заканчивается, так как продолжающееся прогибание территории приводит к дальнейшему погружению осадочных пород и связанных с ними подземных вод.
После уплотнения и полной литификации осадков оставшиеся в них поровые воды составляют еще 2-5% от их объема. Эти воды в виде свободных выделяются при попадании осадочных толщ в зону прогрессивного метаморфизма, который, сопровождаясь перекристаллизацией пород, приводит к выделению в свободную фазу не только поровых, но и всех их кристаллизационных и конституционных разностей, входящих в состав глинистых минералов. При этом происходит не просто освобождение воды или дегидратация горных пород, но и их дегидроксилирование, т.е. выделение гидроксильной группы ОН", а также ионов водорода и кислорода, которые, соединяясь, синтезируют молекулу воды. В этих условиях формируются вновь синтезированные, или возрожденные воды. Синтез воды делает зону метаморфизма качественно новым этапом геологического круговорота, который предлагается называть метаморфогенным.
Выделение воды при метаморфизме происходит медленно по мере перекристаллизации минералов, но этот процесс характерен практически для всех его этапов. Тем самым захороненная первоначально в осадочных отложениях вода в процессе метаморфизма постепенно полностью освобождается и занимает трещины и межгранулярные пространства горных пород, а также образует восходящие потоки к поверхности земли. Таким путем свободные воды по системе сообщающихся сосудов из зоны метаморфизма оказываются выведенными снова к дневной поверхности, тем самым замыкая геологический круговорот воды и создавая флюидные потоки из коровых (15-30 км) и мантийных недр земли.
Третий этап геологического круговорота – магматический связан с тем, что расширяющиеся и углубляющиеся разломы земной коры, процессы магматической деятельности способствуют активной миграции захороненных вод среди различных пород и вовлечению их в сферу действия климатического круговорота. В этих условиях формируются разнообразные минеральные, газоносные, гидротермальные и другие воды. Подымающиеся и раскрывающиеся структуры подвергаются воздействию метеорных факторов, что еще усложняет гидрогеологические условия и способствует вовлечению глубинных вод в общий круговорот.
Геологический круговорот воды, в отличие от климатического, совершается в различных термодинамических оболочках земной коры.
С развиваемых позиций полный геологический круговорот воды складывается из трех этапов: седиментационного, метаморфогенного и магматического, каждый из которых в определенном смысле носит самостоятельный характер. В то же время все они являются частью более общего круговорота, играющего важнейшую роль в земной коре.
Геологический круговорот воды не изолирован от других источников воды - экзогенных (вадозных) и эндогенных (ювенильных). Так, по представлениям многих исследователей, в земную кору поступают воды из мантии, количество которых в настоящее время точно не известно.
2.2.7. Отличие геологического круговорота воды от климатического
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 4473;