Геологическая деятельность подземных вод.

К подземным относятся все воды, находящиеся в почвах и горных породах земной коры в любых физических состояниях, включая и химически связанную.

Виды воды в горных породах.

1. Вода в форме пара (парообразная) находится в воздухе, который заполняет поры и трещины горных пород, свободные от жидкой воды. Находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере, активно перемещается в порах породы.

2. Физически связанная вода.

а)прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется из паров воды на поверхности частиц горных пород, она облекает частицы породы одномолекулярной пленкой, прочно удерживающейся молекулярными и электростатическими силами.

б)рыхлосвязанная (пленочная) вода образует на поверхности частиц как бы вторую пленку поверх прочносвязанной. Пленка прочно держится на частицах силами молекулярного притяжения, что не может даже отделиться от них под влиянием силу тяжести. Эта вода передвигается от более толстых пленок к менее тонким до их выравнивания.

3.Капиллярная вода заполняет полностью или частично поры и трещины горных пород, если диаметр пор не превышает 1 мм, и их называют капиллярными порами. Вода в них удерживается силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Столбик воды, заполняющий капиллярную пору, ограничен сверху и снизу вогнутыми поверхностями - менисками. Каждый из этих менисков стремится сдвинуть столбик воды в свою сторону. Пока пора заполнена водой на небольшом протяжении действия верхнего и нижнего менисков уравновешивают друг друга, и вода остается неподвижной, как бы в подвешенном состоянии. Это капилярно-подвешенная вода, она широко распространена в природе. Образуется в почвах и песчано-суглинистых породах зоны аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков. Вода доступна для растений, при длительном испарении в засуху может исчезнуть совсем.

Капилярно-подтянутая вода располагается над уровнем грунтовых вод. В этом случае в поре отсутствует нижний мениск, а верхний мениск как бы засасывает воду вверх с тем большей силой, чем тоньше пора. Высота подъема воды зависит от диаметра пор. В песчаных грунтах 03-0,6 м, в суглинках 1,2-1,6 м, в глинах 3-4 м.

Противоположное явление наблюдается, когда порода с капиллярными порами будет сверху залита водой, после дождей образовались лужи, под такими лужами у пор есть только нижние мениски. Они как бы засасывают воду на глубину, даже в слабопроницаемые породы.

4.Гравитационная (свободная) вода заполняет поры и трещины горной породы и свободно передвигается под влиянием силы тяжести или гидродинамического напора. Подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода в зоне аэрации и передвигается сверху вниз под влиянием силы тяжести до тех пор, пока не встретит водоупорный пласт. После этого движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока.

5.Вода в твердом состоянии. Присутствует в горных породах в виде кристалликов льда. Образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, особенно развита в областях развития многолетнемерзлых пород (в Сибири, Канаде, на Аляске и других районах).

6.Кристаллизационная (химически связанная) вода участвует в построении кристаллической решетки минералов в виде нейтральной молекулы Н₂О. Например, гипс CaSO₄ 2Н₂О.

Водопроницаемость горных пород.

Водопроницаемость - свойство породы пропускать сквозь себя гравитационную воду. Определяется пористостью и трещиноватостью породы. По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на три группы: 1)водопроницаемые - пески, гравий, галечники, трещиноватые скальные породы; 2)слабопроницаемые - супеси, лёссы, легкие суглинки, неразложившийся торф и др.; 3)относительно водонепроницаемые, или водоупоры,- глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф, нетрещиноватые скальные породы.

Происхождение подземных вод.

1.Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) в горные породы атмосферных осадков и поверхностных вод.

2.Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород, что объясняется разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха.

3.Седиментогенные подземные воды - воды морского происхождения, образуются в процессе накопления морских осадков.

4.Магматогенные (ювенильные) подземные воды (по Э.Зюссу, 1902) образовались из паров, выделившихся из магмы при ее остывании.

5.Возрожденные, или дегидрационные, воды образуются при выделении воды из минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду. Процессы дегидратации возможны при повышенных температурах и давлениях (например, при дегидратации гипс переходит в ангидрит.

Типы подземных вод

По условиям залегания и гидравлическим признакам подземные воды подразделяются на:

1. Почвенные воды залегают у дневной поверхности в почвенном горизонте в зоне аэрации. Имеют сезонный характер. Источник- атмосферные осадки, таяние снега, конденсация атмосферной влаги.

2. Верховодка - временное скопление воды в зоне аэрации на поверхности небольших линз водонепроницаемых пород. Образуется на небольшой глубине от поверхности в результате инфильтрации атмосферных осадков. Мощность пород, насыщенных верховодкой, от 0,5 до 2-3м, резко больше. Наибольшая насыщенность верховодкой наблюдается весной и осенью, в остальное время количество воды уменьшается, или совсем иссякает.

3. Грунтовые воды - постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Они имеют свободную поверхность, называемую зеркалом или уровнем. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют водоупорным ложем, а расстояние от водоупора до зеркала грунтовых вод - мощностью водоносного горизонта. Чтобы знать высотное положение уровня грунтовых вод и их изменение во времени и по площади строят специальные карты гидроизогипс (греч. “изос”- равный, “гипсос”-высота­). Грунтовые воды безнапорны. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма (зона капиллярного поднятия). Питание - инфильтрация атмосферных осадков, вод из поверхностных водоемов и рек. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении, образуют потоки, направленные в сторону общего уклона водоупора, в направлении оврагов, рек, озер, морей, где происходит их разгрузка в виде источников. Такие области называются областями разгрузки, или дренирования (франц. “дренаж”- сток). Движение грунтовых вод через мелкие поры и тонкие трещины - ламинарное (параллельно-струйчатое), а в сильно трещиноватых и закарстованных породах иногда приобретает турбулентный характер.

4. Межпластовые ненапорные воды залегают между водоупорными пластами. Встречаются редко, по условиям передвижения аналогичны грунтовым. Обычно залегают в пластах, лежащих выше базиса эрозии данной местности.

5. Напорные (артезианские воды) находятся в водоносном горизонте, залегающем между двумя водоупорными пластами. Водоносные горизонты располагаются на больших пространствах вне сферы воздействия местных дрен (рек, оврагов и других понижений). Залегают в отрицательных структурах земной коры: в мульдах (нем. “мульде”- корыто), в предгорных и межгорных прогибах, при моноклинальном залегании горных пород. По условиям залегания пород выделяют артезианские бассейны и артезианские склоны. Артезианские бассейны - совокупность напорных водоносных горизонтов, залегающих в синеклизах, прогибах, впадинах. Для напорных вод различают области: питания, напора, разгрузки. Область питания - выход на поверхность водоносных пород, расположенных на наивысших гипсометрических отметках. Область разгрузки (дренирования) -место выхода на поверхность водоносного горизонта на более низком гипсометрическом уровне по сравнению с областью питания. Область напора - основная площадь распространения артезианских вод. Уровень напора характеризует пъезометрический уровень - линия, соединяющая уровни стояния воды в областях питания и разгрузки. Он может быть выше поверхности земли и ниже ее. В первом случае, выходя через скважины, вода фонтанирует, во втором - поднимается лишь до пъезометрического уровня.

Артезианские бассейны содержат значительные запасы воды хорошего качества и широко используются для питьевого и промышленного водоснабжения. Крупные бассейны: Московский, Днепровско-Донецкий, Западно-Сибирский, Парижский и др. В разрезе каждого артезианского бассейна выделяется несколько напорных водоносных горизонтов.

При моноклинальном залегании водоносного горизонта формируется асимметричный артезианский бассейн, названный артезианским склоном. В этом случае области питания и разгрузки располагаются близко друг от друга.

Источники.

Естественные выходы подземных вод на поверхность называют источниками (ключ, родник, криница на Украине).Образуются в результате пересечения водоносного горизонта поверхностью рельефа, приурочены к долинам рек, оврагов, к берегам озер, морей. Выделяют два типа источников: нисходящие и восходящие.

Нисходящие источники связаны с подземными водами со свободной поверхностью - верховодкой, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. Дебит нисходящих источников не постоянен во времени, подвержен сезонным изменениям. Дебит источника - это интенсивность выхода воды в единицу времени, исчисляется в л/с или м3/сут. Источник, выход которого улучшен человеком, называется каптированным.

Восходящие источники - выходы напорных вод в местах их разгрузки (дренирования). Если восходящие источники наблюдаются в морских водоемах, то они называются субмаринными источниками подземных вод (на дне Средиземного моря, в Атлантическом , Тихом, Индийском океанах).

Общая минерализация и химический состав подземных вод.

Общую минерализацию подземных вод составляет сумма растворенных в них веществ в г/л или мг/л. По классификации В.И.Вернадского, О.А.Алекина и других выделяют 4 группы подземных вод: 1)пресные - с общей минерализацией до 1г/л;)рассолы - больше 50 г/л. 2)солоноватые - от 1 до 10 г/л; 3)соленые - от 10 до 50 г/л; 4

Сочетание различных элементов придает воде такие свойства, как жесткость, щелочность, соленость

Ca(HCO₃)₂ Ca(HCO₃)₂ CaSO₄

Mg(HCO₃)₂ Mg(HCO₃)₂ MgSO₄

Na HCO₃ CaSO₄ CaCl₂

щелочность MgSO₄ MgCl₂

CaCl₂ Na₂SO₄

MgCl₂ NaCl

жесткость соленость

Основной химический состав подземных вод определяется тремя анионами - HCO₃- , SO₄ 2- , Cl- и тремя катионами - Ca2+ , Mg2+ , Na+. По анионам выделяют 3 типа воды: 1)гидрокарбонатные, 2)сульфатные, 3)хлоридные и ряд промежуточных. По соотношению с катионами они могут быть Ca, Mg, Na и смешанными.

В артезианских бассейнах наблюдается вертикальная гидрохимическая зональность: 1).Зона активного водоема, воды движутся от области питания к области разгрузки и выходят в виде источников. Состав гидрокарбонатно-кальциевые. 2).Зона замедленного водообмена располагается глубже. Минерализация вод увеличивается, состав становится гидрокарбонатно-сульфатным, сульфатным и хлоридно-сульфатным. 3).Зона весьма замедленного водообмена (самая нижняя), в которой обновление подземных вод происходит в течение миллиона или многих миллионов лет. Соленость вод повышенная или даже рассолы в основном сульфатно- хлоридного, особенно хлоридного типа. Минеральные воды.

Минеральными называются подземные воды, обладающие биологически активными свойствами, используемые в лечебных целях. По температуре воды делятся на:

-холодные с t до 200С,

-теплые, или субтермальные, при t 20-370С,

-термальные при 37-420С,

-горячие, или гипотермальные, выше 420С.

По составу , свойствам и лечебному значению различают несколько групп:

Углекислые минеральные воды, постоянно газирующие углекислотой: 1)пресные или солоноватые холодные углекислые воды (Кисловодск - нарзаны), 2)горячие углекислые воды (t - 37-400С, местами 700С и выше типа Славянской (Железноводск), Карловы Вары (ЧСФР), Джермук (Армения) и другие.

Сероводородные или сульфидные минеральные воды (лечебные свойства определяются созданием в них свободного сероводорода).

По концентрации сероводорода подразделяются на:

-воды слабой концентрации (10-50 мг/л),

-средней (50-100мг/л),

-крепкой (100-250 мг/л).

По условиям формирования различаются азотные, сероводородные, метановые воды.

Радиоактивные минеральные воды характеризуются повышенным содержанием радиоактивных элементов. Для лечебных целей используются радоновые воды (Цхалтубо-Грузия, Белокуриха - Алтайский край). Выделяют : а)холодные радоновые воды в корах выветривания, б)термальные радоновые воды, приуроченные к тектаническим трещинам в гранитных интрузиях, залегающих неглубоко.