Катастрофа на острове Мартиника

Малые Антильские острова служат как бы барьером между Карибским морем и безбрежными водами Атлантики. Среди них остров Мартиника, утопающий в зелени тропических лесов, кофейных плантаций и зарослях тростника, а над этим зеленым морем высится мрачная скалистая вершина вулкана Мон-Пеле.

Восьмого мая 1902 г. неожиданно весь остров содрогнулся от страшного взрыва. Над кратером вулкана появилось раскаленное добела облако, состоящее из палящего газа и твердых частичек. Какой-то миг оно стояло на вершине, а затем покатилось вниз, ускоряя с каждым мгновением свое движений.

Страшное облако на своем пути несло опустошение и смерть. Его температура вначале достигала 1100°С, а затем упала до 210 — 300°С. За считанные минуты раскаленное облако достигло расположенного у подножия вулкана цветущего города Сен-Пьер, тогдашней столицы острова. Потребовалось только несколько секунд, чтобы его парки, улицы, дома были сравнены с землей и сожжены. 30 000 жителей было в течение нескольких мгновений вычеркнуто из жизни.

А при чем же здесь подземная вода?

Дело в том, что газовое облако, образовавшееся в этот тропический день над жерлом вулкана Мон-Пеле, на 80% состояло из паров воды. Вулканологи предполагают, что именно газообразные продукты, среди которых основную массу составляют пары воды, являются причиной взрывов при извержениях вулканов. При всех вулканических процессах всегда регистрируется выделение больших количеств водяного пара. Так, даже в спокойно изливающихся вулканах Гавайских островов многочисленные измерения показали, что выходящие газы содержат до 70% водяного пара.

Когда вулканическая деятельность начинает угасать, из кратеров начинают постоянно выделяться газы и пары воды.

Места выделения пара и газов на склонах и кратерах вулканов были названы фумаролами (итальянское слово fumore — дымиться). В Северной Америке имеются группы фумаролов, расположенных в Долине десяти тысяч дымов. Установлено, что содержание водяных паров достигает здесь 99%.

Рис. 21. Очень часто из кратеров вулканов поднимается столб паров и газов

Нет никакого сомнения, что вулканы связаны с подземными водами. В настоящее время предполагается, что основным источником воды при извержениях являются пары и газы, содержащиеся в огненном расплаве — магме, выбрасываемой вулканами из глубоких недр земли.

Ученые полагают, что выделение газов происходит в ходе остывания расплавленных пород (магмы) и резкого уменьшения давления, возникающего во время извержения. Если вспомнить предыдущие разделы этой главы, то можно сделать предположение о том, что вулканы выбрасывают частично и юве-нильную воду, которая образуется в ходе выделения газов из огненного глубинного расплава.

Конечно, часть воды может попадать в вулканы и из горизонтов подземных вод, и путем проникновения поверхностных вод по трещинам пород. Полагают, что фумаролы Долины тысячи дымов именно таким путем и получают ее (рис. 21).

Одно время была высказана идея, что извержения порождаются морскими водами, проникающими по трещинам пород. Эта точка зрения сейчас отвергнута, но формирование подземных вод на участках вулканов, расположенных на берегах, за счет инфильтрации воды из моря или океана вполне возможно. Также не исключено проникновение подземных вод к вулканическим каналам и их участие в процессе извержения.

Вот мы и выяснили, что вулканы тесно связаны с подземными водами. Можно предполагать, что из кратеров временами выбрасывается ювенильная — глубинная вода, увеличивающая общий запас воды на поверхности Земли.

Вместе с тем ученые установили, что основные массы воды, выделяемой при вулканическом извержении, имеют либо поверхностное происхождение, либо связаны с обычными подземными водами.

Если Вам придется любоваться камчатскими или курильскими вулканами, кратеры которых часто «курятся», то вспомните, что это в основном выделяются пары подземной воды (см. рис. 21).

НЕВИДИМЫЕ РЕКИ

Представим себе, что человек уменьшился до размера микроба, оседлал дождевую каплю и пустился с ней в путешествие. Вот она упала на песок и моментально скользнула в пору. Сила тяжести тянет ее все ниже и ниже. Вдруг остановка.

Во всех соседних порах тоже движутся капельки воды. Наша капелька объединяется с соседними, и они образуют тонкую струйку, упорно прокладывающую себе путь в песке. Справа, слева, снизу, сверху — везде видны бесконечные количества таких струй. Временами они соединяются, перемешиваются и опять разъединяются.

Вода как бы струится через тончайшее сито. Это уже движется грунтовый поток вниз по уклону. Струи скользят в песке медленно и величественно. Подземная «река» в ряде случаев может спорить по количеству перемещающейся массы воды с поверхностной. Правда, там скорости потока в тысячи раз больше, зато в подземной «реке» ширина и глубина может во много раз превосходить поверхностную.

Рис. 22. Коэффициенты фильтрации (кф различных пород)

Законы движения воды под землей изучает очень сложный раздел гидрогеологии — динамика подземных вод. В ее основе лежат математические законы гидравлики. Советские ученые Г Н. Каменский, С. К. Абрамов, Н. Н. Биндеман, А. И. Си-лин-Бекчурин, И. В. Гармонов и другие много сделали для ее развития. Они установили, что в водопроницаемых породах вода движется в виде мириадов струек, скользящих по порам и трещинам. В XIX веке французский ученый Дарси установил, что скорость движения зависит от величины уклона потока и особой важной характеристики породы — коэффициента фильтрации (кф), зависящего от количества и величины пор. Это очень важный и нужный для практики показатель. Гидрогеологи, чтобы выявить количество воды, которое будет притекать к колодцу, первым делом определяют коэффициент фильтрации. Он позволяет им рассчитать и скорость движения, и количественные характеристики грунтовых протоков. Этот показатель очень важен для любого грунта. Конечно, наибольший — в водопроводящих, наименьший — в водоупорных (рис. 22) породах.

Однако вернемся к нашему путешествию. Струйка, в которой мы находимся, скользит все дальше и дальше. Вдруг свет, солнечные лучи заиграли в потоке воды. Оказывается, наша струйка просочилась в глубокий овраг. Тысячи таких струй, вырываясь из пор породы, образуют в его стенках родники. Если посмотреть вдоль обрывистых стенок оврага, можно увидеть удивительную картину: на определенной высоте сочатся и бегут веселыми струйками по уклону ручейки. Овраг как бы разрезал поток грунтовой воды, и вот подземные воды снова вернулись на поверхность. Нельзя не заметить, что они вытекают из стенок только на определенной высоте, которая указывает на положение уровня грунтовой воды в пласте песка. Таким образом, гидрогеолог, осматривая стенки оврага или балки, может судить об уровне водоносного горизонта внутри массива. Это можно также уточнить, если измерить положение поверхности воды в колодцах. А знание расположения уровня очень важно: оно помогает установить количество воды в пласте и решить вопросы, на какую глубину нужно рыть колодец? Сколько воды можно из него получить?

Так закончилось наше путешествие с дождевой каплей. Но нам с Вами повезло. Могло бы получиться так, что наша капля просочилась бы в более глубокие водоносные горизонты, которые не вскрываются оврагами и балками. Вот тогда нам пришлось бы долго путешествовать под землей.

Водяная скатерть

Такое оригинальное название в гидрогеологии дано поверхности водного потока подземной воды. Эта поверхность совсем не похожа на горизонтальную поверхность пруда или скатерть, постеленную на обеденном столе. В одном месте она приподнята, в другом опущена. Водяная скатерть, как правило, имеет наклон в какую-либо сторону, который соответствует общему уклону поверхности потока.

Глубина грунтовой воды зависит от положения водяной скатерти по отношению к поверхности земли. Там, где впадина — обычно он залегает неглубоко, где холмы — глубже.

Эти характеристики нужно учитывать прежде всего хотя бы для того, что они помогают определению глубины воды в будущих колодцах.

Казалось бы, все просто, но есть одно обстоятельство, которое затрудняет точную оценку этой глубины. Уровень грунтовой воды не останется постоянным. Ведь количество поступающей в землю воды зависит прежде всего от дождей, поэтому он изменяется по временам года.

Читателю, несомненно, ясно, что весной поступление большее за счет талых снеговых вод, паводков на реках и дождей. Летом, когда влажность воздуха мала и нет затяжных дождей, приток уменьшается. Осенью опять дожди увеличивают поступление воды в землю.

Но не только по временам года колеблется уровень. Даже в течение суток он может значительно изменяться из-за отбора воды из колодцев (рис. 23). Особенно проявляется последнее в летнее время, когда отбор воды из колодцев или скважин для полива огородов, садов и других нужд более значителен. Утром уровень наибольший, к вечеру он может резко падать. Величина этих суточных колебаний часто достигает метров. Особенно велики колебания уровня в засушливых районах. Так, изменение глубины воды в колодцах в районе Тегерана достигает 10 м, а в Сахаре — 10 — 12 м.

Изменения скатерти грунтовой воды происходят не только по временам года и вследствие отбора ее из колодцев, но и от изменения атмосферного давления. Чем оно выше, тем ниже глубина грунтовых вод, и наоборот. Величина колебаний уровня под действием атмосферного давления может достигать 1 м в течение одних-трех суток.

Так же влияют на уровень затяжные дожди или засушливые периоды. Все это делает водяную скатерть подвижной. Она постоянно как бы встряхивается природой. Колебания уровня более глубоких горизонтов воды под землей менее выражено. Однако и здесь могут наблюдаться годичные изменения.

Рис. 23. Колебание уровня воды в колодце по времени суток (I) и по сезонам года (II)

Подземные воды очень чувствительны к общему ходу изменения климата, поэтому наблюдаются колебания положения водяной скатерти многолетние — десяти- и столетние.

Все больше и больше на уровни вод и положение скатерти грунтовых вод влияет деятельность человека. Он вскрывает глубокие карьеры, дорожные выемки, строит метро и сбрасывает в землю массу производственных отбросов. Все это изменяет положение подземных вод.

Большое значение имеет вырубка лесов. Ее результатом является падение уровней подземных вод. С другой стороны, высадка лесополос, парков и восстановление лесов ведет к повышению положения скатерти подземных вод. Наблюдения за ее положением или, как говорят специалисты, за режимом подземных вод, является одной из важных задач гидрогеологии. Ученые организуют специальные многочисленные опытные участки на территории СССР для наблюдения за колебаниями уровней, температурой и составом подземных вод.