книги из ГПНТБ / Борголов И.Б. Геология с основами минералогии и петрографии учеб. пособие для студентов с.-х. вузов, обучающихся по специальности агрономия, агрохимия и почвоведение

я

из русла, поймы, или пойменной террасы, далее следуют пер­

менная терраса, затапливаемая во время весенне-летних па­ водков. Ширина ее достигает 5—10 км и более.

Как упоминалось выше, террасы образуются в периоды достижения рекой продольного профиля равновесия, в слу­ чае: 1) поднятия или опускания участка земной коры; 2) из­ менения климатических условий; 3) колебания количества и состава обломочного материала, переносимого рекой.

Освоение устьев рек, а также пойменных террас началось много тысяч лет назад. Так, на обильно обводненных дель­ товых равнинах Ганга, Нила, Тигра, Евфрата, Аму-Дарьи, имеющих чрезвычайно плодородные почвы, появилось и раз­ вилось орошаемое земледелие более 5000 лет назад.

Процесс накопления осадков на пойменных террасах

2 1 0

можно отчетливо проследить на многих реках. Так, например, во время весенних паводков, в результате поднятия уровня воды в реках затапливаются низкая и высокая поймы. В наиболее обильные водой годы затапливается даже первая надпойменная терраса. Обломки горных пород, а также раз­ личные илы, увлекаемые водой, при потере живой силы ре­ ки осаждаются на террасах, увеличивая мощность речных отложений и вместе с тем плодородие развивающихся на них почв. Заливаемые во время половодья пойменные тер­ расы в летнее время бывают обычно покрыты свежей зеле­ ной растительностью. Поэтому эти места нередко называют заливными лугами. Освоение пойменных участков является одной из неотложных задач в скорейшем подъеме сельского хозяйства нашей страны.

Поверхностные текучие воды производят исключительно большую разрушительную, транспортирующую и созидатель­ ную работу. В результате деятельности человека, в частно­ сти, устройства крупных оросительных систем, производства лугомелиоративных работ, а также крупного гидротехниче­ ского строительства изменяется первоначальный облик рек, их режим и водоносность. Так, например, строительство плотин, шлюзов, создание крупных водохранилищ приводит нередко к изменению уровня местного базиса эрозии, вслед­ ствие чего на отдельных участках реки усиливается боковая эрозия, а на других же — происходит, наоборот,— интенсив­ ное накопление рыхлых отложений. Поэтому одной из важ­ нейших задач современной агротехники является выработка комплекса мероприятий по борьбе с усилением водной эро­ зии.

§ 4. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Под подземными водами мы понимаем все воды, которые находятся в недрах Земли в жидком, парообразном и твер­ дом состоянии и заполняют преимущественно поры, пустоты и трещины в горных породах.

Изучением подземных вод занимается специальная от­ расль геологии — гидрогеология, которая рассматривает их происхождение, условия залегания, закономерности движе­ ния, физико-химические свойства, а также их связи с ат­ мосферными и поверхностными водами.

По происхождению среди подземных вод различают инфильтрационные, конденсационные, ювенильные и ископае­ мые воды. Основную роль в образовании подземных вод иг-

рают атмосферные осадки, которые проникают в толщу гор­ ных пород и затем накапливаются над водоупорными гори­ зонтами. Образовавшиеся таким путем воды называются инфильтрационными. Количество инфильтрующейся с поверх­ ности воды определяется действием многих факторов: ха­ рактером рельефа, составом поверхностных отложений, их фильтрационной способностью и трещиноватостью, клима­ тическими условиями, деятельностью человека, состоянием растительного покрова и рядом других факторов.

По А. Ф. Лебедеву, в формировании подземных вод за­ сушливых областей приобретает определенное значение водяной пар, находящийся в атмосфере. Например, при пе­ реходе влажного воздуха в почву, где существуют более низкие температуры, чем на дневной поверхности, водяной пар конденсируется так же, как образуется роса при смене температур. Так образуются конденсационные воды. На этом принципе в Соединенных штатах создан «солнечный дистил­ лятор» для получения воды в пустынях. Для этой цели ис­ пользуется кусок тонкого гигроскопического пластика раз­ мером 2X2 м, которым покрывается ямка диаметром 1 м и глубиной 50 см. Конденсирующаяся при этом вода стекает с внутренней стороны пластика в резервуар на дне ямки. Таким путем можно получить в день до полутора литров воды.

Образующиеся инфильтрационным и конденсационным способами подземные воды, перемещаясь внутри земной ко­ ры, пополняют запасы морей и рек. Испаряясь с поверхности морей и рек, эти воды пополняют влажность атмосферы и, впоследствии выпадая на Землю в виде различного рода осадков, снова проникают в толщу земной коры. Таким об­ разом, подземные воды, образовавшиеся за счет атмосфер­ ных осадков, находятся в состоянии постоянного кругообо­ рота п поэтому называются вадозными, или блуждающими.

В 1902 г. Э. Зюсс предложил ювенильную теорию образо­ вания подземных вод. По мнению Зюсса, начало ювениль­ ным водам могут давать газы и пары, выделяющиеся из рас­ плавленной магмы и поднимающиеся по трещинам в земной коре. В отличие от инфильтрующихся поверхностных, т. е. вадозных вод, поступающих сверху вниз, ювенильные воды, имея глубинное происхождение, поступают в верхние слои

подземные воды образуются различными путями, в которых принимают участие инфильтрационные, конденсационные,

212

ювенильные и другие процессы. Немаловажное значение име­ ет также процесс инфлюации — поступлении воды в недра Земли через крупные пустоты, щели, каналы и т. д.

Физическое состояние подземной воды. По А. Ф. Лебеде­ ву, вода в горных породах может находиться в парообразном, твердом состоянии, в виде кристаллизационной, конститу­ ционной, гигроскопической, пленочной, капиллярной и гра­

витационной вод.

Парообразная вода содержится в воздухе пор горных пород. Эта вода способна перемещаться в сторону меньшей упругости пара. При понижении температуры она, конденсируясь, переходит в жидкое состояние, что же касается во­ ды в твердом состоянии, то она образуется в породах в виде льда при температуре ниже 0°С.

Кристаллизационная и конституционная вода входит в состав минералов. Например, первая из них входит в состав

нагревании эта вода высвобождается, при этом минерал пе­ реходит в другой. Так гипс при температуре 107°С переходит в ангидрит. В кристаллическую решетку минералов входит также и конституционная вода в виде ионов ОН 1- и Н1; .

В отличие от этого гигроскопическая вода представляет собой отдельные молекулы, удерживаемые на поверхности частиц молекулярными и электрическими силами. Эта вода образует вокруг частиц породы полимолекулярный слой, свя­ занный с твердой поверхностью водородной связью. По сравнению с обычной водой, она имеет ряд специфических свойств; так, температура ее замерзания равна —78°С, удельный вес около 1,5 г/см3, обладает некоторыми свойст­ вами твердых тел, в частности, сопротивлением сдвигу. По­ этому эта вода не доступна растениям.

Пленочная вода образует тончайшую пленку на поверх­ ности частиц, удерживаемую молекулярными силами. Дви­ жение ее происходит от более толстых пленок в сторону бо­ лее тонких, покрывающих поверхности пор и трещин. Также как и гигроскопическая, эта вода не может отделиться от частиц породы под влиянием силы тяжести. Однако она ока­ зывает благоприятное действие на деятельность микроор­

213

сит от диаметра трубки и вязкости жидкости. Так, например, в суглинках и глинах, имеющих тонкие поры высота подъе­ ма может достигать 4—6 м. Известно, что в районах с за­ сушливым климатом капиллярная вода может служить ис­ точником снабжения влагой корневой системы растений.

Гравитационная вода содержится в крупнопористых по­ родах с диаметром пор более 1 мм. Она способна переме­ щаться под влиянием силы тяжести и выполнять большую механическую и химическую работу. Только эти воды прак­ тически являются не связанными, т. е. свободными и доступ­ ными для эксплуатации. Поэтому, когда говорят о подземных водах, имеют ввиду лишь гравитационные воды. Таким об­ разом, вода в горных породах может содержаться как в связанном, так и в свободном виде.

В случае связанной воды силы молекулярного взаимо­ действия молекул воды с частицами породы обычно превы­ шают гравитационные силы. К этой группе относятся крис­ таллизационная, конституционная, гигроскопическая, пленоч­ ная и капиллярная воды. Как известно, первые две из них входят в состав минералов и таким образом являются хими­ чески связанными водами.

Что же касается пленочной, гигроскопической и капил­ лярной вод, то эти типы связанной воды характерны для зоны аэрации, представляющей собой поверхностную тол­ щу, свободную от подземных вод. Отличительной особенно­ стью этой зоны является присутствие в порах горных пород воздуха.

Свободная, или гравитационная вода представляет собою воду, перемещение которой обусловлено действием силы ее тяжести. Особенностью такой воды является ее подвижность и способность к перемещению в зависимости от разностей уровней, т .е. гидравлического градиента. Эти воды подчи­ няются закону Архимеда. В соответствии с этим законом горные породы, находящиеся в зоне, насыщенной свободны­ ми водами, теряют в весе столько, сколько весит объем вы­ тесненной ими воды.

Гидрогеологические свойства горных пород. Важнейшими гидрогеологическими свойствами горных пород являются их

водопроницаемость и влагоемкость. Под водопроницаемостью понимают способность породы пропускать через себя грави­ тационную воду. Она определяется наличием пустот, т. е. по­

ристостью у зернистых пород и скважистостью у массивных пород.

Степень водопроницаемости пород характеризуется коэф-

214

фициентом водопроницаемости, или коэффициентом фильтра­ ции, указывающим скорость, с которой гравитационная вода цросачивается через породу при уклоне подземного потока в 45°. Коэффициент фильтрации обычно выражйют в литрах за сутки.

По степени водопроницаемости все горные породы под­ разделяются на пять категорий (табл. 11).

Т а б л и ц а 11

Классификация горных пород по степени водопроницаемости

Породы V категории пропускают гравитационные воды в ничтожно малых количествах и в действительности их мож­ но характеризовать как водоупорные. Породы IV и даже III категорий также могут в известных случаях играть роль водоупоров, если они залегают среди более водопроницаемых слоев. Эту относительность понятий «водопроницаемая» и «водоупорная» надо всегда иметь в виду при изучении усло­ вий залегания и движения подземных вод.

Влагоемкостью горных пород называют их способность вмещать и удерживать определенное количество воды при данной температуре и давлении. Различают максимальную и молекулярную влагоемкость. Максимальная влагоемкость определяется количеством всех видов воды, содержащихся Е породе при условии полного заполнения пор. Молекуляр­ ная влагоемкость определяется количеством воды, которое

215

удерживается в породе силами молекулярного сцепления. Разность между полной и молекулярной влагоемкостью на­ зывается водоотдачей породы. Ею определяется количество свободной гравитационной воды, которое можно извлечь из породы. Водоотдача 1 мъ породы носит название удельной

водоотдачи.

Классификация подземных вод. В настоящее время еди­

ной классификации подземных вод не существует. Сущест­ вующие классификации основаны на самых различных прин­ ципах.

По условиям образования подземные воды делятся на почвенные, верховодку, грунтовые и артезианские. По харак­ теру водовмещающих пород — на поровые, трещинные, жильные, карстовые и пластовые. По гидравлическим при­ знакам воды бывают ненапорные, со свободной поверхно­ стью —■грунтовые и напорные — артезианские. По степени минерализации различают пресные, солоноватые, соленые и рассольные.

В связи с тем, что условия залегания подземных вод в поясе насыщения литосферы предопределяют их генезис и все другие свойства, здесь мы приведем классификацию, ос­ нованную именно на этом принципе. Итак, по условиям за­ легания в зоне аэрации выделяют почвенные воды и верхо­

ному слою. Подстилающие почвенный слой горные породы обычно воздушно-сухие, поэтому почвенные воды являются подвешенными. Вглубь эти воды могут передвигаться только в случае выпадения осадков и нарушения их равновесия. В областях избыточного увлажнения они бывают обычно обо­ гащены органическими веществами и имеют желтовато-бу­ рый оттенок и запах гниющих растений и бактерий.

Почвенные воды имеют большое агрономическое значе­ ние, так как почвенная влага является одним из элементов плодородия почв.

Верховодка. Ниже зоны почвенных вод часто располага­ ется толща практически сухих пород, содержащих в нич­ тожном количестве только пленочную воду. Но если в этой толще имеются прослои и линзы относительно водоупорных пород, то во влажные сезоны года на них очень долго задер­ живается некоторое количество воды. Эти временные водо­ носные горизонты известны под названием верховодки. В

216

ряДе случаев, где постоянные подземные воды лежат очень глубоко или непригодны для питья по своему составу, мест­ ное население нередко использует ее для водоснабжения. Однако это ненадежный источник водоснабжения, так как горизонт верховодки легко загрязняется в результате проса­ чивания сточных вод ,и, кроме тото, количество воды в этом горизонте непостоянно. В то же время верховодка имеет большое значение для питания растений, в частности древес­ ных культур. Однако в зоне избыточного увлажнения она заболачивает местность, вызывая в почве нежелательные восстановительные процессы.

Грунтовые воды представляют собой постоянный во вре­ мени и значительный по площади распространения горизонт подземной воды, залегающей на первом водоупорном гори­ зонте. Вследствие отсутствия у этих вод водоупорной кровли они получают питание за счет инфильтрации и конденсации атмосферной влаги на всей площади распространения. Глу­ бина их залегания относительно невелика и обычно колеб­ лется от 1—2 до 20—50 м. Режим их, из-за сезонных клима­ тических условий, подвержен значительным колебаниям. Между выпадающими атмосферными осадками и уровнем грунтовых вод, расходом (дебитом) и физико-химическими свойствами существует прямая связь. Так, например, в сухие сезоны количество воды в этом горизонте может сильно уменьшаться, вплоть до полного исчезновения. Эти воды, хо­ тя и в значительно меньшей степени, чем верховодка, могут загрязняться сверху. В сельской местности они обычно ис­ пользуются для водоснабжения. Водоносный горизонт огра­ ничен сверху зеркалом грунтовых вод, на уровне которого устанавливается вода во вскрывающих ее колодцах. Вооб­ ще же поверхность грунтовых вод редко бывает горизонталь­ ной, чаще же она в сглаженном виде повторяет форму релье­ фа земной поверхности. Поэтому по направлению уклона местности образуются потоки подземных вод под влиянием силы тяжести. Однако скорости движения грунтовых вод, по сравнению со скоростью течения воды в реках, невелики и не превышают: 1) в галечниках и сильнотрещиноватых по­ родах—100 м в сутки; 2) в крупнозернистых песках— 15— 20 м в сутки и 3) в мелкозернистых песках — 1—5 м в сутки.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых наличием водоупорной кровли и залегают между двумя водоупорными горизонтами, не заполняя при этом полностью всей мощно­ сти водоносного горизонта. Областью питания межпластовых

217

вод служат иногда очень удаленные районы, где питающий водоносный слой выходит на земную поверхность. Эти воды обычно не зависят от сезонных изменений количества осад­ ков и испарения в данной местности и отличаются значи­ тельным постоянством в их режиме. В отличие от грунтовых, межпластовые воды защищены водоупорным горизонтом от поверхностного загрязнения и, таким образом, являются наи­ более благоприятными источниками водоснабжения.

Напорные, пли артезианские воды. При насыщении водой всего водопроницаемого слоя поверхность водоносного гори­ зонта совпадает с подошвой кроющего водоупора. При этом вода обычно обладает определенным гидростатическим на­ пором. Если же вскрыть скважинами напорный горизонт, то вода поднимается выше кровли водоносного горизонта, а в некоторых случаях даже фонтанирует. Линия, соединяющая отметки установившегося напорного уровня в скважинах, образует так называемый пьезометрический уровень. Сво­ бодное зеркало подземных вод можно рассматривать как частный случай пъезометрического уровня, когда он распо­ лагается ниже водоупорной кровли и напор равен нулю.

Напорные, или артезианские воды образуются в опреде­ ленных структурных условиях. Большие скопления такого типа вод приурочены к так называемым артезианским бас­ сейнам, представляющим собой в большинстве случаев ог­ ромные мульды или прогибы пластов земной коры в десятки, сотни и даже первые тысячи километров в поперечнике и многие сотни и тысячи метров в глубину (рис. 30).

Крупные артезианские бассейны служат важнейшими ис­ точниками водоснабжения больших промышленных и сель-

Рис. 30. Схема артезианского бассейна: 1— водоупорные породы; 2 — водоносный слой; 3 — пьезометрический уровень; ф — участок самоизлива и фонтанирования артезианских вод.

екохозяйственных районов на всех континентах земного ша­ ра. В пределах СССР имеется целый ряд тектонических впадин, представляющих собой идеальные условия для ар­ тезианских бассейнов. Например, широкой известностью пользуется Подмосковный артезианский бассейн, имеющий ряд напорных горизонтов, часть из которых дает сильно ми­ нерализованную, а другие — пресную воду. В настоящее время много "артезианских скважин со свежей родниковой водой пробурено в самой Москве.

Из других крупных бассейнов артезианских вод следует отметить Ангаро-Ленский, Днепровско-Донецкий, Прикубан­ ский, Чу-Таласский (Казахская ССР) и многие другие. На­ роднохозяйственное значение артезианских вод велико. Они служат для водоснабжения ряда городов, в том числе таких крупных промышленных центров, как Москва, Киев, Харьков и др. Отличительной их особенностью является способность образовывать восходящие источники, несовпадение областей питания с областями распространения, малая загрязнен­ ность и т. д. Поэтому эти воды имеют ряд преимуществ по своим вкусовым качествам, температуре и гигиеническим свойствам перед поверхностными и грунтовыми водами. Прес­ ные артезианские воды широко используются для водоснаб­ жения сельских местностей, а также для орошения и обвод­ нения засушливых районов нашей страны.

Источники. В местах пересечения водоносного горизонта оврагами и речными долинами или разрыва водоупорной кровли трещинами происходит вскрытие подземного потока. Подземные воды начинают вытекать в виде ключей, родни­ ков или источников на поверхность Земли. В зависимости от распределения количества атмосферных осадков по сезонам года, а для источников, питаемых глубокими водоносными горизонтами, также от расстояния области питания водонос­ ного горизонта от области его разгрузки, источники могут быть постоянными или пересыхающими.

По способу истечения воды источники бывают нисходя­ щие и восходящие. В нисходящих источниках вода, высачи­ вающаяся на склоне или у его основания, спокойно стекает вниз по уклону. В восходящих источниках вода выходит под капором, так что в лужице, образующейся обычно над местом ее выхода, она как бы бурлит «бьет ключом». Это явление косит название грифона. Классическим примером восходя­ щих источников являются фонтанирующие артезианские во­ ды, проникающие через трещины в водоупорной кровле.

Ж