Пространственные формы залегания подземных вод

Трудность составления классификации заключается в том, что подземные воды развиты в земной коре практически повсеместно, но залегают в разнообразных по форме, размеру, строению геологических телах, которые с большим трудом поддаются системной классификации. В силу этого разные исследователи по-разному трактовали формы залегания подземных вод.

Наиболее логично построена классификация A.M. Овчинникова, который выделяет три основных типа подземных вод — верховодка, грунтовые и артезианские, выделив два особых подтипа, характерные для районов многолетней мерзлоты и активного вулканизма.

Типы подземных вод по характеру залегания (по Е.В. Пиннекеру).

Верховодка

Под верховодкой понимают первый от поверхности временно существующий водоносный горизонт, залегающий в зоне аэрации на водоупорах ограниченного размера. Отличие верховодки от других типов вод заключается в том, что она располагается выше посто­янно существующего горизонта подземных вод, т.е. в зоне проса­чивания, и приурочена к поверхности слабопроницаемых горных пород, заключенных среди водопроницаемых. Ниже верховодки обычно наблюдается зона неполного насыщения. Вслед­ствие этого верховодка оказывается как бы подвешенной или висячей, занимающей в некотором роде несвойственное гравитационным водам положение. Отсюда ее временность и ограниченность в простран­стве, так как через некоторый промежуток времени подвешенная вода стекает в зону полного насыщения.

Верховодка образуется в зоне аэрации только в случае наличия водоупорных пород. Последние могут быть представлены линзами глин и суглинков различного генезиса, погребенными почвами, ледниковой мореной, мерзлыми породами, останцами коренных пород и т.д. Своим происхождением верховодка обязана инфильтрации атмосферных осадков. Некоторое количество воды может поступать также в результате конденсации.

По особенностям водного режима в зоне аэрации выделяется три подзоны: переменного увлажнения, транзита и капиллярной каймы. Атмосферные осадки, которые просачиваются в зону аэрации аккумулируются преимущественно в почвенном слое (верхние 20 см)

Мощность верховодки чаще всего равна 0,4-1 м, редко дости­гает 2-5 м- Формируется она главным образом в супесчано-суглинистых грунтах. Время ее существования в значительной мере определяется климатическими условиями, формой и размерами водоупорногослоя глубинойего залегания; водопроницаемостью вме­щающих пород и рельефом местности.

На водоупорах относительно больших разме­ров создается возможность более длительного хранения гравитаци­онных вод, так как увеличиваются пути и времяих растекания.

Глубина залегания водоупорного слоя регулирует степень воздей­ствия процессов испарения на верховодку. На глубинах более 2-3 м испарение уже практически не играет роли.

В пределах городов и промышленных пло­щадок образованию верховодки способствуют также фундаменты зданий, уплотняющие грунты.

Режим верховодки всецело определя­ется количеством инфильтрующихся атмосферных осадков, а на территориях городов и промышленных площадок — и объемом сбрасываемых в зону аэрации сточных вод.

Вследствие неглубокого залегания и отсутствия водоупорной кровли верховодка легко загрязняется и поэтому является ненадеж­ным источником водоснабжения. Тем не менее верховодка иногда служит источником воды, извлекаемой колодцами. В степных, полупустынных и пустынных районах она может оказаться един­ственным типом природных вод со сравнительно небольшим содер­жанием солей, пригодным для водоснабжения небольших населен­ных пунктов.

К разновидностям верховодки A.M. Овчинников относит почвен­ные воды, болотные воды и воды песчаных дюн.

Почвенные воды - это совокупность всех типов вод почвенного слоя, которая определяет структуру, свойства и водный режим почв. Среди почвенных вод наибольшее значение для растений имеют пленочные, капиллярные и свободные.

Болотные воды. Болотом называется избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа глубиной не менее 30 см в неосушенном и 20 см в осушенном виде. Все избыточно увлажненные земельные площади, не имеющие слоя торфа глубиной менее 30 см в неосушенном состоянии, называются заболоченными землями.

Возникновение болот связано с различными причинами. Главные из них - наличие подстилающего водоупорного слоя, отсут­ствие поверхностного стока, слабое испарение, преобладание осадков над испарением. По характеру растительности и торфя­ной залежи болота делятся на три типа: верховые, низинные и переходные.

Воды песчаных дюн часто встречаются в засушливых (пустын­ных) районах и вызывают большой интерес поскольку являются пресными. Происходит это в том случае, когда зона аэрации сильно проницаема (песок), что позволяет воде весной при таянии снега или выпадании дождя быстро проникать на глубину большую, чем критическая глубина испарения (обычно 2-3 м), и при наличии водоупора с мульдообразным рельефом оставаться в песках в те­чение длительного времени. Примерно также формируются пресные воды в песчаных дюнах на побережьях морей, где они залегают выше соленой морской воды.

Грунтовые воды

Грунтовыми называют свободные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего в зоне полного насыщения. Следовательно, главное отличие грунто­вых вод от вод верховодки заключается в том, что первые зале­гают в зоне полного насыщения, вторые — в зоне аэрации. Отсюда и другие отличия, связанные с масштабами их распространения, временем существования, мощностью водоносных горизонтов, режимом, составом, глубиной залегания.

Грунтовые воды развиты повсеместно. В любом месте, где бы мы ни стали бурить или копать колодец, мы встретим воду. Как правило, это будет грунтовая вода и значительно реже верховодка. Если такие воды залегают в порах осадочных пород, то они называются пластовыми, если в трещинах скальных пород — трещинными или грунтово-трещинными.

Чаще всего грунтовые воды не имеют сверху водонепроницае­мых пород и поэтому являются безнапорными. Но это не главный их отличительный признак, как полагают некоторые исследователи. На отдельных локальных участках водоупор может присутствовать и в таком случае они становятся напорными, но это никак не меняет сути явления.

Область питания грунтовых вод, как правило, совпадает с об­ластью их распространения. Грунтовые воды тесно связаны с ат­мосферными осадками, поверхностными водами и верховодкой и поэтому зональны. Режим их находится под непосредственным влиянием гидрометеорологических факторов и характеризуется се­зонными колебаниями уровня, дебита и химического состава. По возрасту грунтовые воды являются современными, но в геологи­ческом смысле, так как абсолютный возраст их может достигать 50 тыс. лет.

В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовый поток и грунтовый бассейн. Первый характеризуется движением воды, происходящим под влиянием силы тяжести в направлении уклона свободной поверхности, второй — наличием в водоупорном ложе понижений и движением воды на отдельном отрезке в восходящем направлении. Тот и другой имеют ряд разновидностей, а местами наблюдаются сложные их комбина­ции.

Глубина залегания и форма поверхности грунтовых вод, ко­торую принято называть зеркалом, обусловливается глубиной эро­зионного расчленения рельефа. На карте она изображается гидроизогипсами — линиями одинаковой высоты зеркала.

Неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности региональном водоупоре определяет направление их движения под действием силы тяжести в соответствии с уклоном зеркала, а разгрузку, как правило, у подножий склонов. Питание их в основ­ном осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации ат­мосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) по всей площади их распространения и в меньшей мере конденсирующейся влаги в зоне аэрации. В каждом конкретном районе могут существо­вать и другие источники питания (речные воды, поступление воды из оросительных каналов, переток артезианских вод из более глу­боких водоносных горизонтов и т.д.).

Поверхность грунтовых вод приближенно повторяет рельеф региона. На водоразделах глубина залегания грунтовых вод значительно больше, чем в долинах. Особенно велико их различие в горных областях, где разница отметок долин и водораз­делов нередко достигает 500-700 м. В равнинных областях это соотношение значительно меньше и не превышает 100 м.

Условия питания грунтовых вод определяют и их режим, т.е. изменение их запасов, уровня, состава и свойств во времени под действием природных и искусственных факторов.

Наиболее интенсивное влияние естественных факторов сказыва­ется на неглубокие грунтовые воды. По мере увеличения глубины их залегания влияние многих факторов ослабевает или полностью прекращается. В наше время режим грунтовых вод часто опреде­ляется в основном искусственными факторами, обусловленными деятельностью человека. Распашка земель, вырубка лесов, создание водохранилищ, строительство городов, сооружение водозаборов глобально меняют условия питания, залегания и разгрузки подзем­ных вод. Все это сказывается на запасах, качестве и составе подземных вод в целом. Этот фактор стал доминирующим и требует особо пристального изучения.

Грунтовые воды, как и все воды верхней части земной коры, зональны. Их состав закономерно изменяется в соответствии с изменением климатических особенностей территории.

Артезианские воды

Артезианскими называют все подземные воды, кроме первого от поверхности водоносного горизонта, залегающие между водоупорными слоями и имеющие напор. Такие воды встречаются в основном в дочетвертичных отложениях, образующих крупные геологические структуры как на платформах, так и в горно-складчатых областях.

Для артезианских вод характерны следующие особенности:

1. они относятся к межпластовым водам, поскольку сверху и снизу изолированы водоупорами;

2. при вскрытии уровень этих вод устанавливается выше кровли содержащего их горизонта, а иногда и выше поверхности земли (скважины на таких участках фонтани­руют);

3. распространены в большом интервале глубин от несколь­ких десятков метров до 15 км;

4. они в значительно меньшей степени, чем грунтовые, подвержены воздействию экзогенных факторов и обладают относительно стабильным режимом;

5. им свойствен упругий характер фильтрации, что связано с проявлением упругих свойств воды и самого пласта при изменении давления в недрах;

6. сложная и обычно затрудненная взаимосвязь межплас­товых вод, преимущественно вертикальное (сверху вниз) их перетекание на периферии структур и снизу вверх в областях наиболь­шего прогибания фундамента или низких абсолютных отметок зем­ной поверхности.

Артезианские воды обычно занимают геологические структуры отрицательной формы: синеклизы, впадины, мульды, краевые и межгорные прогибы, грабены и т.д. В течение долгого времени считали, что артезианские воды формируются за счет внешней об­ласти питания, расположенной в местах выхода водоносного гори­зонта на дневную поверхность, а движение воды происходит под влиянием разности напоров в областях питания и разгрузки водо­носных горизонтов. В этом случае пластовое давле­ние не может превышать гидростатическое, а гидродинамический режим остается на всем протяжении бассейна инфильтрационным.

Однако по мере накопления новых данных, выяснилось, что такое представление верно только для части артезианских бассейнов небольшого размера, рас­положенных преимущественно в предгорных или горных областях.

Для большинства же артезианских бассейнов платформенного типа такое представление далеко от действительности и требует пересмот­ра. Это связано с тем, что большинство артезианских бассейнов на платформах и особенно крупные из них всегда содержат седиментационные воды, характеризуются наличием аномально высоких пластовых давлений, элиэионным типом гидродинамического режима и т.д. Значительная часть воды таких бассейнов сформирована не путем инфильтрации в процессе климатического круговорота, а захоронена в результате геологического круговорота. Последний же по многим гидродинамическим, генетическим, гидрогеохимическим параметрам принципиально отличается от первого. Все это требует разделения артезианских бассейнов на два типа:

инфильтрационные и элизионные.

Артезианские бассейны инфильтрационного типа заполнены водой только метеорного генезиса. Имен­но для артезианских бассейнов такого типа выделяют три области: инфильтрационного питания (внешняя и внутренняя); напораразгрузки.

В этом случае движение воды происходит под влиянием разности напоров в областях питания и разгрузки, пла­стовое давление в любой части бассейна остается по своей природе гидростатическим. Размеры областей питания и разгрузки являются относительно области напора незначительными, хотя первые и рас­полагаются часто в горной (внешней) части бассейна, а также в междуречных пространствах, локальных возвышенностях, мелких хребтах, гривах и т.д.

Область распространения напора (стока) находится внутри ос­новной площади артезианского бассейна. В ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято именовать пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического комплекса называется напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды.

Область разгрузки артезианских вод располагается на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой, как правило, совокупность открытых и скрытых очагов (разгрузка в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей). В зависимости от гипсометрического положения областей пита­ния и разгрузки, а также их местонахождения в пределах артези­анского бассейна интенсивность подземного стока бывает самой разнообразной. Очень часто встречаются артезианские бассейны с замедленным водообменом в погруженных частях, когда области питания имеют примерно одинаковое высотное положение, а видимые области разгрузки отсутствуют.

Иногда разгрузка подземных вод происходит по тектонически ослабленным зонам, а также через слабопроницаемые или водоупорные (при значительной разности напоров) породы кровли на всей площади их распространения.

Артезианские бассейны элизионного типа формируются на уча­стках прогибания земной коры и заполнения их осадочным материалом в процессе геологического круговорота. Изначально такие бассейны заняты солеными морскими водами, которые погружаются (захороняются) в недра земли вместе с горными породами. В этом случае напор и движение вод возникают не за счет превышения области питания над областью разгрузки, а под влиянием нарастающего веса вышележащих пород и дополнительно тектонических напряжений. В этих условиях происходит отжим связанных глинами вод и перенос их в водоносные горизонты, регулярное перераспределение напоров, возникновение аномально высоких пластовых давлений.

Бассейн не получает воду из внешних или внутренних областей питания. Источником ее служат водовмещающие горные породы, которые при уплотнении и уменьшении пористости выдавливают воду, ранее захваченную из морского бассейна. Интенсивность такого элизионного отжатия воды с глубиной зату­хает, но в тех или иных размерах продолжается на всех этапах захоронения горных пород. Эти процессы протекают в течение десятков и даже сотен миллионов лет. Наряду с физически связан­ными глины отдают и химически связанные воды, так как в бассейне происходит глубокая трансформация минерального веще­ства на всех стадиях литогенеза.

Из сказанного вытекает важный вывод о том, что артезианские бассейны элизионного типа отличаются наряду с другими призна­ками наличием принципиально иной, отличной от уже упоминавших­ся выше внешней и внутренней областью питания. Эту область мы предлагаем называть внутрипластовой. Последняя, следовательно, представляет собой систему пластов горных пород, отдающих раз­личные виды воды, изначально захваченной в бассейне седимента­ции, в процессе их уплотнения под действием массы вышележащих пород или возникающих тектонических напряжений. Отжатие воды из пород происходит на всех стадиях литогенеза (диагенеза, катагенеза и даже метагенеза).

Внутрипластовая область питания располагается в самом артези­анском бассейне, в его внутренней (захороненной) части и почти полностью может совпадать с областью распространения напора и соответственно стока. Более того, внутрипластовая область пита­ния гипсометрически располагается ниже области разгрузки, т.е. картина оказывается как раз обратной той, которая обязательна "для классического артезианского бассейна. При этом чем более мощными являются слои водоупорных пород (глин), тем больше при прочих равных условиях отжимается воды и соответ­ственно выше напор. Особенно велик напор в центральной, наибо­лее погруженной части бассейна, которая испытывает наибольшее прогибание и аккумулирует больше осадочных пород.

Водоносные горизонты не получают никакого количества дополнительной воды, кроме той, которая от­жимается из горных пород. Отсюда гидродинамика бассейна опреде­ляется только элизионным типом режима.

Артезианские бассейны инфильтрационно-элизионного типа. Сразу после отступления моря в водоносные горизонты, заполнен­ные морской водой, устремляются инфильтрационные воды, т.е. начинается процесс вытеснения или замещения седиментационных вод инфильтрационными — один из важнейших гидрогеологических процессов, широко развитый в артезианских бассейнах. Процесс замещения начинается с самых верхних горизонтов и областей их питания. Постепенно этот процесс захватывает все более и более глубокие горизонты и новые площади. В конце концов за геоло­гически достаточное время все седиментационные воды из бассейна могут быть вытеснены инфильтрационными. Соответственно артези­анский бассейн перейдет из типа элизнонного, который он представ­лял изначально, в инфильтрационный.

Большая часть современных артезианских бассейнов на плат­формах и некоторая часть в горно-складчатых областях находят­ся на той или иной стадии вытеснения соленых вод пресными. Поэтому они относятся к инфильтрационно-элизионному типу.

Основные факторы, контролирующие скорость и объемы замещения одних вод другими:

1. Возраст бассейна. Чем более древним в геологическом смысле является бассейн, тем при прочих равных условиях он будет более промыт, т.е. в большей мере и на большую глубину заполнен инфильтрационными водами.

2. Размер бассейна. При одинаковом возрасте бассейны неболь­ших по размеру и мощности отложений будут промыты значительно быстрее, чем бассейны больших по размеру и глубине заложения.

3. Геологическое строение бассейна. Наличие выдержанных по простиранию хорошо проницаемых отложений способствует более быстрому замещению соленых вод пресными и, наоборот, литологическая неоднородность пород, их фациальная изменчивость, пре­обладание глинистых разностей способствуют сохранению седимен­тационных вод. Особенно велико значение мощных региональных водоупоров, развитых по всему бассейну. Как правило, это спо­собствует крайне застойному гидродинамическому режиму и со­хранению седиментационных вод ниже водоупора в течение сотен миллионов лет.

4. Рельеф и соотношение областей питания и разгрузки. Расчле­ненный рельеф определяет большие перепады напоров в бассейне, способствующие поддержанию интенсивного водообмена. Равнинный плоский рельеф, удаленность областей питания от областей разгруз­ки создают слабый водообмен и сохраняют в течение длительного времени седиментационные воды. Этому же способствует отсутствие в бассейне больших по размерам внутренних областей питания.

5. Мощность и интенсивность генерации воды внутрипластовой областью питания - при интенсивной элизии воды из глинистых отложений и плохой проницаемости коллекторов в бассейне созда­ются высокие напоры, включая зоны АВПД (аномально высоких пластовых давлений), которые препятствуют или сдерживают проникновение в бассейн инфильтрационных вод.

6. Климат и палеоклимат. Влажный климат, изобилующий боль­шим количеством атмосферных осадков, способствует промыванию бассейна и, наоборот, сухой с небольшим количеством осадков замедляет этот процесс. Естественно, что необходимо учитывать не только современный климат, нои климат прошлых эпох, втечение которых происходило промывание бассейна.

7. Проницаемость отложений. Кроме литологического состава проницаемость горных пород зависит от многих других факторов; наличия мерзлоты, карстовых явлений, зон тектонических нарушений, торфяной подушки, степени трещиноватости и т.д. Все это влияет на скорость замещения одного генетического типа воды другим.

Различное сочетание и многочисленность факторов определяют разную степень вытеснения седиментационных вод инфильтрационными в каждом конкретном бассейне. Как правило, верхние водо­носные горизонты промыты и заполнены инфильтрационными во­дами, а нижние сохраняют соленые седиментационные, естественно, измененные по составу в процессе длительной геологической эво­люции. Промежуточные горизонты содержат воды, смешанные в той или иной степени, т.е. инфильтрационно-седиментационные.