Классификация подземных вод

В земной коре находится большое количество воды — физически и химически связанной, свободной гравитационной, капиллярной, в виде водяного пара и льда. Подземными водами как объектом гидрологии будем называть лишь те содержащиеся в земной коре воды, которые находятся в активном взаимодействии с атмосферой и поверхностными водами (океанами и морями, реками, озерами и болотами) и участвуют в круговороте воды на земном шаре. Подземные воды в таком понимании представлены в основном свободной (гравитационной) и капиллярной водой, а также перемещающимся в порах грунта водяным паром.

Экзогенныеподземные воды попадают в горные породы либо при процессах просачивания (инфильтрации) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадко- накопления). Эти воды часто называют соответственно инфильтра- ционными, конденсационными и седиментационными.

Инфильтрационныеподземные воды проникают в горные породы путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Основную роль при этом играет проникновение в грунт через поры и трещины практически пресной атмосферной воды. Конденсационные подземные воды образуются при конденсации в порах грунта водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления. Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например пустынях, может иметь существенное значение. Седиментационные подземные воды образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т. е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».

Эндогенныеподземные воды образуются в горных породах в результате дегидратации минералов (такие воды называют дегидратационными или «возрожденными») или поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их называют «ювенильными» водами).

Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, де- гидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхождению подземные воды.

Подземные воды (главным образом — инфильтрационные) являются важным компонентом материкового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ.

По характеру залегания.

Верхнюю часть земной коры в отношении распределения в ней подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения.

1.  В зоне аэрации образуется верховодка. Это почвенная влага. Мощность этой зоны составляет 2-3 м в таежной зоне, 50 см под саваннами, 20-30 см в степной зоне. В зоне аэрации не все поры заняты водой, часть пор заполнены воздухом.

2. В зоне насыщения все поры и пустоты заполнены водой; здесь формируются несколько горизонтов подземных вод:

■  Грунтовые воды. Это первый от поверхности водоносный горизонт, залегающий на водонепроницаемых горных породах. Грунтовые воды распространены преимущественно в рыхлых четвертичных отложениях. Они в значительной степени загрязнены.

■  Межпластовые воды. Они встречаются в более глубоких пластах Земли и залегают между двумя водоупорными слоями в водопроницаемой толще. Эти воды не соприкасаются с зоной аэрации. Количество горизонтов межпластовых вод и глубина их залегания определяется геологическим строением конкретных территорий. Грунтовые и межпластовые воды являются ненапорными.

■  Артезианские воды. Они приурочены к геологическим отрицательным структурам (синеклизам), заполненными осадочными горными породами при соответствующем напластовании водопроницаемых и водоупорных слоев, а также к сложной системе тектонических трещин и сбросов.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная (гравитационная), вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная водавходит в состав некоторых минералов, например гипса CaSO₄• 2Н₂O, мирабилита Na₂SO₄• 10Н₂O, медного купороса CuS0₄- 5Н₂O. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300—400 °С.

Физически связанная водаудерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90—120 °С. Этот вид воды подразделяют на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную).

Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами. Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой: от мест, где толщина пленки больше, к местам, где ее толщина меньше.

Физически связанная вода (за исключением некоторого количества пленочной воды), как и химически связанная, в круговороте воды в природе практически участия не принимает, и поэтому в состав подземных вод, которые изучает гидрология, не включается.

Капиллярная водаобразуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, поэтому она участвует в круговороте воды в природе и ее следует включать в состав подземных вод, изучаемых гидрологией.

Свободная, или гравитационная, вода— наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления. Объем свободной (гравитационной) воды в насыщенном водой грунте зависит от его скважности, гранулометрического состава, количества и размера пор.

Вода в твердом состоянии (лед)находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда. В районах сезонного промерзания грунта эта вода периодически участвует в круговороте воды.

Вода в парообразном состоянии (водяной пар)заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах. Водяной пар в фунтах обладает большой подвижностью и перемещается от мест с большей к местам с меньшей упругостью (меньшим давлением). Парообразная вода в грунтах активно участвует в круговороте воды в природе.

По температуре(в °С) подземные воды разделяются (по А.М.Овчинникову) на:

1. весьма холодные                             -     ниже -4°          (области многолетней мерзлоты)

2. холодные                                        -      -4; +20             (неглубокие воды средних широт)

3. теплые                                            -     +20;+37

4. горячие                                           -     +37; +42

5. очень горячие                                 -     +42;+100

6. исключительно   горячие (термы)     -     выше 100°

(на глубине 3-4 км)

Температура зависит от геологического строения и истории геологического развития структур, физико-географических условий и режима питания. Питьевая вода является наиболее вкусной и освежающей при температуре +7°, +11°. Для лечебных целей (принятия ванн) наиболее ценная вода с температурой +35°, +37°. Температуру измеряют родниковым термометром с ценой деления 0,2°С.

По минерализации.

Минерализация - это сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. О величине минерализации судят по сухому остатку, полученному при выпаривании определенного объема воды и высушивании остатка при температуре 110°С. Выражается сухой остаток в мг/л (мг/кг) или г/л (г/кг). По величине сухого остатка выделяют 6 групп ( по П.П.Климентьеву):

1. сверхпресные                        до 0,2 г/л

2. пресные                                0,2 - 1 г/л

3. слабосолоноватые                 1 - 3 г/л

4. сильносолоноватые               3-10 г/л

5. соленые                                 10 - 35 г/л

6. рассолы                                 более 35 г/л

Общая минерализация подземных вод изменяется в широких пределах; от нескольких десятков мг/л до 600 г/л и выше.

По химическому составу

Первую классификацию дал В.И.Вернадский. По В.И.Вернадскому подземные воды разделяют на : кислородные, сероводородные, азотные, углекислые, хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциевые, радоновые. В настоящее время разработано много схем применительно к разным районам. Остановимся на классификации О.А. Алекина, которая сочетает принцип деления по преобладающему аниону или катиону. За основу взято шесть главных ионов. Выделены 3 класса по преобладающему аниону: гидрокарбонатные (НСО3 +СО3), сульфатные (S04), хлоридные (С1). В каждом из классов по 3 группы по преобладающему катиону: кальциевые (Са), магниевые (Mg), натриево-калиевые (Nа+К).

В зависимости от происхождения различают атмосферные, поверхностные и подземные воды, которые принимают участие в общем, круговороте воды.

а)  Атмосферные воды выпадают на поверхность Земли в виде дождя, града, снега, росы и тумана. Они отличаются высоким содержанием газов (азота, кислорода и двуокиси углерода). Эти воды из-за содержания в них двуокиси углерода имеют, кислую реакцию, что придает им неприятный вкус. Атмосферные воды для поения животных и хозяйственных нужд используются крайне редко и только в безводных районах. Качество их невысокое, они слабо минерализованы, содержат большое количество пыли, микроорганизмов.

b) Поверхностные воды – это атмосферные и отчасти грунтовые воды, которые переместились к пониженным частям рельефа местности (лужи, пруды, реки, озера, моря). Из-за возможности загрязнения они далеко не всегда пригодны для питья в сыром виде. Использовать такую воду для питья можно лишь после предварительной обработки.

с) Подземные воды (рис.2) образуются главным образом из атмосферных вод, которые проникают в нижележащие слои почвы и накапливаются там, в виде подземных водотоков или водохранилищ. Эти воды концентрируются над водонепроницаемым слоем в порах грунта, образуя водоносный горизонт. Если водоносный горизонт находится между первым водонепроницаемым слоем и почвой и расположен близко к поверхности Земли, он находится под атмосферным давлением. Если же водоносный горизонт расположен между водонепроницаемыми пластами, то вода может подвергаться гидростатическому давлению (артезианская вода). С санитарной точки зрения подземные воды делятся на верховодку, грунтовые и артезианские. Верховодка находится обычно в верхнем (2-3 м) слое Земли, накапливаясь над первым водонепроницаемым слоем. Ее глубина зависит от глубины залегания этого слоя. В зависимости от времени года эти воды находятся на разной глубине от поверхности Земли. Во время засухи они могут совсем исчезать. Они играют большую роль в развитии растений на полях, оставленных под пар. Часть этих вод образует так называемый почвенный раствор, который заполняет капиллярные пространства между частицами почвы, создавая гидратационный слой. Из-за легкости загрязнения верховодка в большинстве случаев непригодна для питья, даже если по вкусу она отвечает всем требованиям. Грунтовые воды находятся под первым водонепроницаемым слоем, залегающим на глубине не менее 7 м и до 2-3 км, иногда даже до 6,5 км. Они могут, находится в нескольких водоносных горизонтах, быть безнапорными или находиться под давлением. Воды, находящиеся на глубине до 15 м, называют мелкими грунтовыми водами. Они служат главным источником водоснабжения для людей. Воды, залегающие на глубине более 15 м (на третьем или еще более глубоком водонепроницаемым слоем), называются глубокими грунтовыми водами. Грунтовые воды, содержащие не менее 1000 мг /л растворенных солей или СО2 или одного из редко встречающихся в пресной воде элементов, например брома, йода, фтора, железа, радия, называются минеральными водами. В зависимости от преобладания в их составе того или иного химического соединения различают следующие виды минеральных вод: хлоридные, содержащие большое количество хлористого натрия; сульфидные, содержащие сероводород; углекислые, содержащие карбонаты и свободный СО2; горькие воды, содержащие главным образом сернокислый магний; воды, носящие название одного из главных компонентов (йодные, радоновые или радиоактивные) и другие минеральные воды. Артезианские воды особенно ценятся за их гигиенические свойства. Они полностью свободны от микроорганизмов, в связи, с чем они пригодны для питья без очистки и обеззараживания.