1. гидрогеология – это наука о подземной гидросфере. Она изучает историю подземной гидросферы, ее ресурсы и состав, закономерности пространственного распределения составляющих ее компонентов (свободная, связанная, жидкая, парообразная, твердая, надкритическая и др. виды воды), происходящие в ней процессы и взаимодействие с окружающими земными оболочками, а также хозяйственное значение компонентов подземной гидросферы и влияние на них деятельности человека.

4,5,6? Всего на Земле содержится более 2,5 млрд. км³ воды: в наземной гидросфере 1,4 млрд. км³, в земной коре – 1,1 млрд. км³. Вода биосферы составляет примерно половину общего годового речного стока. В атмосфере содержится свыше 500 тыс. км³ воды. Воды всех геосфер имеют тесную связь, между ними существуют балансовые равновесия и взаимообусловленность. Воды постоянно переходят из одной геосферы в другую

10

23 Классификация видов воды:

а) по физическому состоянию,

б) по степени связи с частицей горной породы

14 Артезианские воды

Это воды, залегающие между водоупорными слоями в пределах довольно крупных геологических структур, и имеющие напор. При вскрытии таких водоносных горизонтов вода поднимается выше кровли водоносного пласта (горизонта) и часто изливается на поверхность или фонтанирует.

Правильное понимание формирования артезианских вод возможно только при тщательном изучении геологической структуры региона и истории ее развития.

В каждом артезианском водоносном горизонте можно выделить три основных элемента: область питания; область напора; область разгрузки (рис.11,30,31).

Гидрогеологические условия в пределах одного горизонта различны в пределах 3-х этих областей.

В области питания водоносный горизонт обычно приподнят и дренирован, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод.

В области напора уровень, до которого может подняться вода, расположен выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до этого уровня называется напором. В случае расположения воображаемого уровня выше поверхности земли, вода изливается (фонтанирует) (рис. 11). Напорный уровень еще называют пьезометрическим, а изолинии абсолютных отметок напорного уровня, называют гидроизопьезами.

В области разгрузки артезианская вода выходит на земную поверхность в виде субаэральных, субаквальных или субмаринных источников.

При наличии нескольких водоносных горизонтов каждый их них может иметь свою пьезометрическую поверхность, которая определяется условиями питания и стока подземных вод (рис.30,31).

Рис. 30. Артезианский бассейн при обращенном рельефе.

Рис. 31. Артезианский бассейн при прямом рельефе (синклиналь).

Если скважина вскрывает два артезианских водоносных горизонта и они сообщаются, то в случае обращенного рельефа (рис.30), вода в скважине пойдет из верхнего в нижний горизонт, т.е скважина будет поглощающей. Это очень важно при решении вопросов захоронения различных промстоков.

24 Свободная гравитационная вода – это обычная капельно-жидкая вода, передвигающаяся под влиянием силы тяжести и напорного градиента. Количество ее зависит от гранулометрического состава пород, их пористости и трещиноватости. В случае повышенной пористости или трещиноватости количество гравитационной воды преобладает над другими видами.

25 Капиллярная вода заполняет капиллярные поры и делится на капиллярно-поднятую и – подвешенную воду. Она передвигается под действием менисковых сил, а при полном заполнении пор может передавать гидростатическое давление. Капиллярная влагоемкость – полное насыщение водой всех капиллярных пор. (менисковая, гидростатическая)

19 Карстовые воды

Так называются воды, залегающие и циркулирующие в трещинах, каналах, пещерах, пустотах, образовавшихся в результате выщелачивания карбонатных, гипсоносных и соленосных горных пород, на которые воды оказывают агрессивное воздействие. Процесс этот в подавляющем большинстве имеет химическую природу, но при развитии крупных каналов и полостей местами происходит и механический вынос частиц и обломков пород. В процессе выщелачивания гипса в глинистой среде образуется так называемый «малый» карст или глинистый карст. Интенсивность процесса карстообразования зависит от типа пород и степени их трещиноватости, от особенностей геологической истории, климатических условий и природной динамики подземных вод. Поднятия суши приводят к развитию стока, вызывающего карстообразование, погружения, наоборот, к затуханию карстовых процессов.

Карст может обнаруживаться по характерному рельефу: обычно на поверхности появляются депрессии, понижения в перекрывающих закарстованные породы рыхлых толщах. Вначале по трещинам горных пород образуются зачаточные формы карста – кары и каровые поля – причудливые бороздообразные углубления на поверхности карстующихся пород. На отдельных участках формируются воронки овальной формы и самых различных размеров (до 20-30м в поперечнике и 5-15 м глубиной). Количество воронок может достигать до 200 на 1 км². Соединение нескольких воронок образует увал. При развитии процесса на глубину возникает естественный колодец, который может перейти в шахту или пещеру. Входные отверстия в горизонтальные каналы называются понор, которые поглощает поверхностные воды. Подземные полости превращаются в разнообразные пещеры и гроты, в которых наблюдаются живописные натеки – столбы – сталактиты и сталагмиты. Выходы подземных карстовых рек называются «воклюз» (по названию карстового источника во Франции).

В соответствии с особенностями строения карстовых массивов находится и своеобразие движения подземных вод. Здесь мы имеем не фильтрацию, а движение в каналах, а иногда напорное (водопроводы) движение. Этим они резко отличаются от всех остальных типов подземных вод.

Можно выделить два горизонта карстовых вод:

верхний – преимущественно нисходяще движение вод.

нижний – все воды представляют собой единое гидравлическое целое.

Д.С. Соколов выделяет в карстовых районах 4 вертикальных зоны, различных по условию движения подземных вод (рис. 33):

1. Зона аэрации – движение вод вертикальное (вниз).

2. Зона сезонных колебаний уровня подземных вод с периодической сменой горизонтального и вертикального движения подземных вод.

3. Зона полного насыщения, находится в сфере дренирующего воздействия гидрографической сети с движением подземных вод в сторону речных долин.

4. Зона глубокой циркуляции, где движение воды происходит вне непосредственного влияния дренажа гидрографической сети.

IV

Рис. 33. Условия движения подземных вод в различных вертикальных зонах закарстованных пород [Соколов, 1962].

I— зона аэрации; II — зона сезонного колебания уровня; III — зона полного насыщения; IV- 1— закарстованные известняки; 2 и 3 — соответственно высокий и низкий уровни подземных вод. Стрелками показано направление движения воды.

В зависимости от характера питания вод выделяют три типа карста:

1) Средиземноморский; 2) Среднеевропейский; 3) Среднеазиатский.

1.Открытый карст – известняки выходят прямо на поверхность. Основные источники питания – дождевые воды.

2. Закрытый карст. Основные источники питания – талые воды. Дожди почти целиком расходуются на испарение.

3. Карст засушливых районов, где наиболее выражены подземные формы карста. Поверхностные формы карста выражены слабо. Основные источники питания – ливневые дожди.

20 Надмерзлотные воды

воды деятельного слоя воды многолетних надмерзлотных таликов

Надмерзлотные воды деятельного слоя.

Распространены повсеместно. Водоупорным основанием (подошвой) является верхняя поверхность мерзлоты, неровности, которой обусловливают изменение мощности водоносного горизонта. Область питания и распространения в летний период совпадают. Основным источником питания являются атмосферные осадки, а иногда поверхностные воды и трещинно-жильные подмерзлотные (восходящие) воды. При промерзании они могут приобретать местный напор (криогенный напор), который меняется, т.е. они напорно-безнапорные, обычно маломинерализованные, повышение минерализации наблюдается в случае связи их с водами более глубоких горизонтов. Своеобразный режим этих вод не позволяет использовать их для постоянного водоснабжения населенных пунктов и других объектов.

Воды многолетних надмерзлотных таликов.

Обычно распространены в таликах под руслами рек и озер (рис. 35). Последние оказывают отепляющее действие. Под крупными реками Сибири могут быть сквозные талики, являющиеся своего рода окнами в питании и разгрузке меж - и подмерзлотных водоносных горизонтов.

С наступление зимы эти воды могут приобретать напор, т.е. они также напорно-безнапорные воды. Источники питания разнообразны, поэтому состав их пестрый. Эти воды используются для водоснабжения населенных пунктов, железнодорожных станций и других объектов.

Рис. 35. Схемы надмерзлотных таликов: а) под котловиной озера;

б) под долиной реки; в) сквозной подрусловой талик.

19.2 Межмерзлотные воды

воды в жидкой фазе воды в твердой фазе

Межмерзлотные воды в жидкой фазе.

Залегают в зоне многолетнемерзлых осадочных, магматических и метаморфических горных пород. Эти воды часто бывают связаны с надмерзлотными и подмерзлотными водами. По характеру вмещающих пород выделяют пластово-поровые, карстовые и трещинно-жильные межмерзлотные воды.

Пластово-поровые – в аккумулятивных террасах речных долин, где они залегают в талых песках и галечниках, переслаиваются с мерзлыми глинистыми породами (глины, суглинки, супеси).

Карстовые – в пустотах карбонатных, гипсоносных и соленосных пород.

Трещинно-жильные – в трещинах выветривания и тектонических сбросового характера, не выходящих за пределы нижней границы зоны мерзлых пород. А если выходят, то отмечается связь этих вод с подмерзлотными водами.

Существование в мерзлых породах многолетнемерзлых вод в жидкой фазе объясняется непрерывным их движением, сохраняющим водоносные пути от промерзания и повышенная минерализация воды, обусловливающая замерзание при отрицательной температуре, более низкой, чем окружающие мерзлые породы.

Межмерзлотные воды могут быть и напорными и безнапорными. Химический состав их различный, определяется составом пород, условиями питания, наличием или отсутствием связи с более глубокими водами (встречаются воды от пресных до рассолов, например в Южной Якутии).

Межмерзлотные воды являются наиболее низкотемпературными подземными водами на земле и в ряде случаев (например, при залегании и движении в соленосных мерзлых породах), они имеют отрицательную температуру. Пресные межмерзлотные воды в большинстве своем пригодны для водоснабжения.

Межмерзлотные воды в твердой фазе.

Это залежи подземного льда. Они широко распространены в Якутии, на Ляховских и Новосибирских островах и других приполярных и полярных районах РФ. Подземные воды в мерзлых породах залегают в виде пластов, линз, жил, клиньев мощностью до десятков метров. Пресные льды при их таянии и плавлении дают воду, пригодную для водоснабжения.

22 Подмерзлотные воды

Залегают или непосредственно под зоной мерзлых горных пород или отделены от ее нижней границы водоупором. Они встречаются только в жидкой фазе. Обладают напором.

При изучении аллювиальных подмерзлотных вод необходимо учитывать возможность симметричного или ассиметричного залегания мерзлых пород.

Температура аллювиальных вод близка к нулю, реже равна 1-2⁰С и понижается по мере углубления.

Порово-пластовые и трещинно-пластовые воды залегают в различных осадочных породах. Первые характерны для слабосцементированных, вторые – для плотных, где преобладает трещиноватость.

Карстовые воды подобны уже рассмотренным вне криолитозоны. Они наиболее водообильны, зимой образуют большие наледи.

Трещинные и трещинно-жильные воды приурочены к коре выветривания и зонам тектонических нарушений. Наибольшее значение имеют вторые.

Питание подмерзлотных вод происходит за счет атмосферных осадков, надмерзлотных, межмерзлотных и поверхностных вод под крупными реками и озерами и морских вод на побережьях морей. Областями разгрузки надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных вод являются моря и озерные котловины, долины рек, овраги, тектонические трещины и разрывы, зоны контактов магматических пород с осадочными, талики под крупными реками и озерными котловинами, не промерзающими до дна.

Глубина залегания подмерзлотных вод имеет тенденцию к погружению в северном направлении и достигает 300-600м и более.

Режим подземных вод областей многолетней мерзлоты характеризуется специфическими чертами, которые определяются:

1. Промерзанием и оттаиванием деятельного слоя;

2. Деградацией или нарастанием зоны многолетнемерзлых пород во времени.

В зависимости от этих двух факторов изменяются условия питания и дренирования подземных вод, характер их взаимосвязи между собой, смена жидкой фазы твердой и наоборот, переход вод из безнапорных в напорные (криогенные напоры).

Вследствие взаимодействия этих факторов в криолитозоне развиваются физико-геологические явления и процессы: бугры пучения, термокарст.

Бугры пучения образуются в результате миграции воды при промерзании пород. Это надежный поисковый критерий подземных вод.

По Н.И. Толстихину наледи – ледяное тело, образовавшееся при замерзании речной или подземной воды, излившейся на поверхность льда, снега, земли или в пределах деятельного слоя, в результате промерзания путей движения в водоносном горизонте. Они разнообразны по происхождению, положению относительно поверхности земли, форме и размерам. Площадь их может достигать 1-2- км², мощность- до десятков метров. Бывают и подземные наледи: однолетние и многолетние (гидролакколиты). Они могут взрываться при замерзании воды за счет увеличения объема льда и реализации криогенного напора.

При таянии подземного льда могут образовываться провалы почвы и подстилающих ее горных пород. Это явление называется термокарст. Следствием его являются озера, воронки, блюдца, колодцы, ложбины и другие формы. Термокарст - один из признаков деградации многолетней мерзлоты. При гидрогеологических исследованиях важно установить – деградирует мерзлота(улучшаются гидрогеологические условия) или происходит ее нарастание (ухудшение гидрогеологических условий).

26 Физически связанная вода – делится на рыхлосвязанную (пленочную внешнего слоя и осмотическую) и прочносвязанную (пленочную внутреннего слоя и гигроскопическую). Она в целом отличается от обычной воды (плотность 1,2-2,4 г/см³, температура замерзания может опускаться до -100⁰С). Характерна для глин. Энергетические связи различны, как различна и толщина молекулярных пленок воды на поверхности минералов (от 10-20 молекул до 1-3 молекул). Выделяются несколько слоев, которые по мере приближения к частице все прочнее с ней связаны. При максимальной гигроскопичности прочносвязанная вода целиком заполняет межпакетные промежутки в глинистых минералах. Содержание ее зависит от гранулометрического и минералогического состава. Удалить ее можно нагреванием от 90-120⁰С до 300⁰С. Пленочная вода менее прочно связана с частицами и образует второй слой над гигроскопической водой. Передвигается путем выравнивания толщины пленки под действием температуры. Разновидностью физическисвязанной воды является осмотическая вода, образующаяся путем проникновения молекул воды – растворителя в диффузный слой коллоидных частиц, где концентрация ионов больше, чем в растворе. Это – переходная разновидность к свободной воде. Именно с ней связано набухание коллоидов и образование вокруг них устойчивой оболочки растворителя. В целом физическисвязанная вода удаляется из породы высушиванием, центрифугированием, отсасыванием под вакуумом, отпрессовыванием под большим давлением (до 5000 кг/см²). В этом случае она переходит в свободное состояние. Отжимается из микрокапиллярных пор и называется «поровыми» (горными) растворами. В природе эти воды характерны для бассейнов седиментации (отжимаются под действием гравитационного и седиментационного уплотнения в песчаные коллекторы и формируют элизионный водообмен.

30 Водоносные (водопроницаемые) – породы, содержащие свободную воду и способные пропускать ее через себя и отдавать под действием силы тяжести. Сюда относятся галечники, гравеллиты, слабосцементированные конгломераты и песчаники, пески, алевролиты, известняки, трещиноватые магматические и метаморфические породы.

Водоупорные (водонепроницаемые) – породы, которые весьма слабо пропускают или вообще не пропускают через себя воду и не отдают ее в природных условиях. Это – глины, тяжелые суглинки, плотный торф конечных стадий разложения, глинистые сланцы, аргиллиты, каменная соль, гипс, мергели, а также все плотные магматические и метаморфические породы.

32 Водоносный горизонт (В.Г.)- относительно выдержанная и единая в гидродинамическом отношении толща (пласт, слой) водопроницаемых горных пород, поры, трещины или пустоты которых заполнены свободной гравитационной водой. Чаще всего он сложен однородными или близкими по литолого-фациальному составу и фильтрационным свойствам отложениями. Водоносный горизонт может быть однослойным, двухслойным и многослойным (рис.14). В последнем случае должна быть общая гидравлическая поверхность (свободная или пьезометрическая) (рис. 14). По характеру залегания и режиму выделяются водоносные горизонты грунтовых ненапорных и напорных вод и артезианских вод (рис. 15).

34 Водоносный комплекс (ВК) – выдержанная в разрезе и имеющая региональное распространение водонасыщенная толща одновозрастных или разновозрастных и разнородных по составу пород, ограниченных сверху и снизу водоупорными пластами, что обеспечивает присущие данному комплексу определенные особенности гидродинамического и гидрогеохимического режима вод. Водоносный комплекс может включать несколько водоносных горизонтов. В отличие от водоносного горизонта здесь напоры могут меняться в зависимости от степени гидравлической связи.

35 Гидрогеологический комплекс (ГК) – выделяется гидрогеологами Западной Сибири (Гидрогеология СССР, т. 16) на основе водоносных комплексов, но с включениями в их состав всех водоупорных толщ. В нефтегазовой гидрогеологии Европейской России выделяют «водоносный» (для безнапорных) и «водонапорный» (для напорных вод) комплексы.

36 Строение и структура воды

В 30-х годах 20века Д. Бернал и Р. Фаулер, исследуя строение воды, установили, что ее молекула окружена по тетраэдру четырьмя другими. То есть жидкая вода имеет сложное строение, а отдельные молекулы ее связаны дополнительными связями. Это явление и называется структурой воды. Но полного тождества с кристаллической решеткой минералов нет: жидкая вода является смесью мономерных и полимерных молекул; связи между отдельными мономерами динамичны, т.е. они постоянно появляются, разрушаются, усиливаются, ослабевают. Это динамическое равновесие выражается равенством, предложенным Армстронгом Н₂nОn ↔nН₂О.

Структура воды обусловлена главным образом существованием водородных связей, которые имеют электростатическую природу, но они слабее нормальной валентной связи между атомами О и Н. В основе структуры воды лежит диполь Н⁺-ОН^-, который может создавать агрегаты (ассоциаты) из нескольких молекул Н₂О (рис ).

Рис. Структура воды

Рис. Ассоциаты молекул (диполей) воды

Существует несколько моделей структуры воды. Д. Бернал и Р. Фаулер предположили существование трех типов расположения молекул

а) структуры кристаллической решетки льда (О⁰С - 4⁰С)

б) структуры типа кварца (4-200⁰С)

в) структуры с плотной упаковкой, почти лишенные водородных связей (>200⁰С).

На основании квантово-механических представлений итальянский ученый М. Аджено считает, что каждая молекула Н₂О может участвовать не более чем в двух коллективных связях, образующих звенья различных типов (цепочки, кольца, и др.). Кольца из 6-ти молекул приближаются к структуре льда.

С позиций структурного строения воды объясняются и ее аномальные свойства. Поскольку структура воды формируется электростатическими связями, на нее воздействуют различные поля (температурное, геодинамическое, магнитное, электрическое), с повышением температуры структура воды начинает разрушаться и при критической точке 374⁰С (абсолютно чистая вода) полностью разрушается. Повышение давления приводит не к увеличению вязкости, как у других жидкостей, а к уменьшению и только при ~100МПа вязкость повышается.

Воздействие электрического поля приводит к увеличению скорости испарения (на 11-18%).

Положительно влияет на организм человека «намагниченная» вода, а также в магнитном поле уменьшается накипеобразование, увеличивается всхожесть семян многих сельскохозяйственных культур при замачивании их «магнитной» водой.

В 60-х годах Н.Н. Федякиным открыта вода -2. Образуется она при конденсировании паров воды в тонких кварцевых капиллярах диаметром 5-20μ. Ее свойства изучались многими отечественными и зарубежными учеными. Оказалось, что это вязкая жидкость с плотностью около 1 г/см³ и показателем преломления 1,49 (против 1,33).

Замерзает при – 35 - – 40⁰С без скачка объема, Т⁰_кип. ~ 250⁰С.

Модификационное состояние полученного вещества устойчиво и сохраняется при перегонке. Вода – 2 строго отвечает формуле Н₂О. Кварц капилляров видимо выполняет роль катализатора при синтезе воды – 2.