Вопрос 36. Зональность подземных вод.

Главными факторами, обусловливающими зональность грунтовых вод, явл-ся климатические (осадки, температура, испарение и др), отражающие общие условия увлажненности территории. Кроме того, большое значение имеют ландшафтные характеристики: степень расчленонности рельефа, растительность, почвы и др. Общие черты геогического строения также влияют на зональное распределение грунтовых вод

Наиболее полно зональное распределение представлено Ланге, которым выделено три широтные провинции (макрозоны).

Первая макрозона многолетней мерзлоты с зонами: 1 – каменного льда; 2 – сплошной мерзлоты; 3 – талой мерзлоты; 4 – островной мерзлоты.

Вторая макрозона избыточного увлажнения с зонами: 1 – грунтовых вод типа тундровых; 2 – высоких вод севера; 3 – дренажа мелкими оврагами; 4 – дренажа глубокими оврагами; 5 – дренажа в полосе перехода овражных систем в овражно-балочные.

Третья макрозона полуаридная и аридная с зонами: 1 – развития дренажа путем испарения; 2 – равновесия подтока грунтовых вод и их испарения.

Широтная зональность грунтовых вод проявляется в изменении некоторых их показателей. Так, например, в Европейской части России с севера на юг наблюдается увеличение глубины залегания грунтовых вод с 0-2 до 20-60 м, температура от близкой к 0 до +5-+12°, минерализация от 0.1 до 3-10 г/л, состава от гидрокарбонатного Мg-Са до Cl-Na. Это позволило Каменскому с учетом условий формирования ре­сурсов и состава грунтовых вод выделить зоны выщелачивания и кон­тинентального засоления.

В зоне грунтовых вод выщелачивания наблюдаются превышения подземного стока грунтовых вод над испарением, преимущественно развиты пресные воды.

Зона континентального засоления грунтовых вод характеризуется малым количеством осадков, испарением, слабой дренированностью водоносных горизонтов и развитием вод различного состава и минерализации. Граница между этими зонами проходит примерно по линии Кишинев – Киев – Волгоград. На юге страны в предгорьях Крыма и Кавказа зона континентального засоления вновь сменяется зоне вышелачивания. В горных районах с повышением отметок увеличивается количество выпадающих атмосферных осадков, улучшаются условия питания грунтовых вод. Рассмотренная широтная зональность нарушается на участках влияния речного, озерного и морского грунтовых вод, проявления хозяйственной деятельности человека

По существу, речь идет о том, что с севера на юг меняются условия питания и разгрузки подземных вод и это является следствием широкой зональности климатических характеристик. Все это вместе приводит к повышению минерализации воды, а значит, и к смене ее химического состава, меняется глубина залегания вод, режим их уровня и температура.

Вопрос 37. Зональное строение артезианских бассейнов.

Если зональность грунтовых вод формируется под действием общегеографических причин, то гидродинамическая и гидрохимическая зональность артезианских бассейнов обусловлены их геологическим строением и историей формирования.

Первая особенность – при увеличении глубины отмечается заметный рост минерализации подземных вод от пресных в верхних частях бассейнов к соленым и рассольным в нижних, наибо­лее погруженных их частях.

Вторая особенность – законо­мерное изменение гидродинамических характеристик, выражающееся в снижении с глубиной величин расходов потоков, скоростей фильтра­ции и увеличении сроков водообмена.

Для многих бассейнов платформ наблюдается закономерная смена хим типа подземных вод с увеличением глубины залегания и минерализации: от пресных гидрокарбонатных к сульфатным и хлоридным в нижних этажах бас­сейна.

В каждом артезианском бассейне выделяется 3 области: 1) область совр питания (совр инфильтрация) и создания напо­ра; 2) область разгрузки и 3) область распространения напора.

Область современного питания и создания напора – площадь вы­хода на дневную поверхность водоносных пород, которые слагают артезианский бассейн и его основание, располагающихся на наивысших гипсометрических отметках. На таких участках атмосферные осадки и воды поверхностного стока проникают в водоносные породы.

Выделяют внешнюю и внутреннюю области питания. Верхняя – прилегающие к артезианскому бассейну части площадей горноскладчатых сооружений или поднятий, с кот-х стекают атм воды и по достижении выходов водопроницаемых пластов они частично поглощаются и таким путем идут на питание подземных вод. Внутренняя – участки, расположенные в пределах самого артезианского бассейна, где осуществляется инфильтрация атм осадков и вод местного поверхностного стока; связаны преимущественно с поднятиями и антиклизами на платформах, а также антиклинальными стр-ми в предгор­ных районах и межгорных впадинах, в пределах которых артезианские водоносные горизонты выходят на поверхность или залегают неглубо­ко под более молодыми, как правило, рыхлыми отложениями.

Артезианские воды могут быть гидравлически связаны с грунтовыми водами на участках, где размыты кроющие водонепроницаемые пласты или же происходит их фациальное изменение, т.е. переход в проницаемые разности пород. В зависимости от соотношения уровней подземных вод на таких участках будет расход или пополнение запа­сов артезианских вод. Если пьезометрическая поверхность артезиан­ских вод располагается на более высоких абсолютных отметках но сравнению с отметками зеркала грунтовых вод, напорные воды будут питать грунтовые; при обратном соотношении отметок горизонтов подземных вод грунтовые воды расходуются на питание артезианских.

Многие артезианские бассейны соединяются между собой, в таких условиях создаются благоприятные возможности для перетока вод из одного бассейна в другой.

Области разгрузки – участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой, как правило, совокупность открытых (восходящие источники в долинах рек, зоны тектонических разломов и т.д.) и скрытых очагов (разгрузка в рыхлые четвертичные отложения, в русла рек) разгрузки. К скрытым очагам разгрузки А.М. Овчинников относит также рассредоточенную разгрузку подземных вод через водоупорные толщи при наличии больших напорных градиентов.

В районах распространения многолетнемерзлых пород разгрузка артезианских вод осуществляется через сквозные талики, которые отчет­ливее проявляются в зимнее время в виде наледей и гидролакколитов.

Для многих артезианских бассейнов открытые очаги разгрузки напорных вод имеют ограниченное распространение; большее значение имеют скрытые очаги разгрузки, через которые вода незаметно перетекает из одного водоносного горизонта или комплекса в другой.

Искусственные очаги разгрузки – это крупные водозаборы подземных вод (группа скважин, из которых проводится отбор воды для во­доснабжения или других целей) и одиночные водозаборные сооруже­ния (обычно скважины), при длительной эксплуатации которых в не­которых водоносных горизонтах создаются понижения статических уровней на 80-120 м.

Область распространения напора – основная площадь развития артезианского бассейна, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические (напорные) уровни подземных вод.

Уровень напорных вод называют пьезометрическим. Пьезометрический уровень всегда располагается выше кровли водоносного гори­зонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называется напором над кровлей водонос­ного горизонта. Распределение пьезометрических уровней на всей площади распространения артезианских вод определяется соотноше­нием их отметок в области питания и разгрузки.

Пьезометрический уровень реален только в скважинах, вскрывших артезианский водоносный горизонт. На участках отсутствия скважин пьезометрический уровень можно установить по результатам интерполяции, где он отражает только те высотные отметки, до которых поднимается вода при покрытии водоносного горизонта скважинами.

Гидродинамическая зональность артезианского бассейна. По интенсивности и условиям водообмена с дневной поверхностью выделяют три гидродинамические зоны: интенсивного, затрудненного и весьма затрудненного водообмена.

Зона интенсивного водообмена располагается в верхней части разреза бассейна. Мощность зоны определяется, с одной стороны, геологической структурой бассейна, а с другой – тесной связью подземных вод этой зоны с поверхностными и атмосферными водами и изменяет­ся широких пределах: от 100 до 1000 м и более. Зона интенсивного водообмена характеризуется относительно большими скоростями фильтрации подземных вод. Действительные скорости движения подземных вод в этой зоне изменяются от сотен метров до одного метра в год. Коэффициент водообмена варьирует от 001 до 1, т.е. полный водообмен совершается в пределах от 1 до 100 лет.

Зона затрудненного водообмена находится обычно глубже местных базисов дренирования водоносных горизонтов и комплексов. Для зоны затрудненного водообмена значительно снижено действие экзогенных факторов, определяющих балансовую и пространственную структуру потоков. Питание и разгрузка подземных вод этой зоны осуществляется за счет сосредоточенного (гидравлические окна, разломы) или рас­средоточенного (сквозь разделяющие слабопроницаемые пласты) пе­ретекания в водоносные горизонты выше или ниже расположенных гидродинамических зон. Это зона отмечается значительно меньшими скоростями фильтрации и действительными скоростями движения подземных вод. Коэффициент водообмена в этой зоне изменяется в более широких пределах – от 0,01 до 0,0000001. Следовательно, водо­обмен в этой зоне на одних участках может осуществляться в течение 100 лет, а на других – в течение миллионов лет.

Зона весьма затрудненного водообмена занимает наиболее глубо­кие части водонапорных систем (глубже 2-3 км). Она охватывает водоносные комплексы второго и третьего гидрогеологических этажей, т.е. наиболее погруженные части артезианского бассейна. Фильтраци­онные свойства водоносных пластов здесь хуже, скорость фильтрации вод ничтожна. Действительные скорости движения подземных вод в ой зоне обычно не превышают нескольких миллиметров в год, т.е. они ощутимы только в геологическом времени.

В таких условиях расходы потоков подземных вод по пласту настолько малы, что эту зону называют зоной застойного режима.

Однако здесь, как и в вышележащей зоне, происходит перетекание вод по гидрогеологическим окнам, разломам. Изучение зоны весьма затрудненного обмена вод важно с позиции нефтяной гидрогеологии.

На территории России ряд платформенных артезианских бассейнов входит в область распространения многолетнемерзлых пород. Многолетнее промерзание в первую очередь приводит к промерзанию грунтовых вод и локализации их в подрусловых и подозерных таликах, а также к промерзанию артезианских вод зоны интенсивного водообмена.

Развитие мерзлых толщ изменяет гидродинамическую зональность артезианских бассейнов, в целом затрудняя обмен вод, особенно в верхней гидродинамической зоне.

Гидрохимическая зональность артезианского бассейна. По Посохову, выделяются следующие гидрохимические зоны:

1. подземные воды, распространенные в верхних частях бассейна имеющие минерализацию до 1 г/л, реже более высокую, и характеризующиеся НСО3 – Са составом. Мощность этой зоны относительно невелика;

2. ниже располагается сравнительно маломощная гидрохимическая зона, содержащая солоноватые и слабосоленые воды многокомпонентного состава, заметную, а часто определяющую, роль в которой играет сульфат-ион;

3. еще глубже располагается третья гидрохимическая зона, где преимущественное распространение имеют хлоридные рассолы с минерализацией до 250-350 г/л.

Гидрохимическая зональность подземных вод в пределах артезианских бассейнов отражает их самые общие гидродинамические условия, в результате чего для многих бассейнов границы гидродинамических и гидрохимических зон близки, что свидетельствует об их генетической общности.