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

Восходящие источники могут появиться и в случае местного напора, а также под влиянием давления газов и паров. По­ этому судить о напорном или безнапорном режиме подзем­ ных вод только по одному факту появления восходящих источников не всепда возможно.

Расход, или дебит источников, также как и колодцев, связан с водообильностью водоносного горизонта и скоро­ стью водоотдачи горных пород. В песчано-глинистых и слан­ цевых породах дебит источников обычно менее 1 л/сек, з галечниках и трещиноватых породах иногда может дости­ гать более 10 лісек (36 м3/ч).

Температура и химический состав подземных вод. Темпе­ ратура подземных вод зависит как от глубины их залегания, так и глубины циркуляции. Так, например, неглубоко зале­ гающие грунтовые воды испытывают сезонные колебания температуры лишь с некоторым запаздыванием во времени, по сравнению с сезонными изменениями температуры на земной поверхности.

Воды, залегающие глубже, в поясе постоянных темпера­ тур, сохраняют неизменную температуру в течение всего года, равную среднегодовой температуре данной местности. Так, известно, в областях, где среднегодовые температуры выше нуля, подземные воды не замерзают даже зимой.

Воды, циркулирующие на еще большей глубине, ниже по­ яса постоянной температуры, нагреты выше среднегодовой температуры местности и тем выше, чем глубже они зале­ гают. Здесь начинает действовать тепло, поднимающееся из глубоких недр Земли. В зависимости от температурного ре­ жима различают холодные, с температурой до 20°С; теп­ лые — от 20 до 42°С; и горячие, или термальные воды с тем­ пературой более 42°С. Нередко термальные воды поднима­ ются к земной поверхности с большой глубины. Различные источники имеют различную температуру. Так, термальные

Подземные воды всегда содержат в том или ином коли­ честве растворенные газы и соли. В виде примесей в них мо­ гут содержаться углекислый газ, иногда сероводород, метан

и другие, а также соли различных кислот и органических ве­ ществ.

В. И. Вернадский разделил все воды по степени минера­ лизации на 1) пресные, с сухим остатком до 1 г/л; солоно-

2 2 0

ность—CaS04, M gS04, СаСІг, MgCl2, NaHC03, Na2S04, NaCl; щелочность — Ca(HC03)2, Mg(HC0 3 )2, NaHC03 (M. Ф. Ива­ нова, 1969).

Минерализация подземных вод зависит от степени раст­ воримости горных пород, с которыми эти воды соприкаса­ ются на пути их движения к области разгрузки, от длитель­ ности времени соприкосновения с ними, от температуры во­ ды, а также наличия в ней растворимых газов и солей. Циркулируя в порах и трещинах горных пород, они раство­

кремнеземом, окисным железом и др. По степени и харак­ теру минерализации эти воды могут быть довольно разно­ образными. Грунтовые и сравнительно неглубоко залегаю­ щие межпластовые воды по своему составу сильно зависят от климата. В областях с влажным климатом эти воды обычно пресные или слабоминерализованные. Среди раст­ воренных солей в них преобладают карбонаты кальция и. магния. В засушливых областях, где в водоносные гори­ зонты поступает мало атмосферной воды, обновление ее за­ пасов происходит медленно. Для этих областей характерны более минерализованные, солоноватые, а иногда соленые грунтовые воды, содержащие наряду с карбонатами суль­ фаты натрия, калия, кальция, а также хлористые соли.

Глубокозалегающие пластовые и трещинные воды отли­ чаются медленным возобновлением запасов или даже почти полной застойностью, поэтому они обычно бывают сильно минерализованными. Иногда они образуют настоящие кон­ центрированные рассолы, пригодные для промышленного выпаривания солей (поваренной и калийной) и извлечения таких ценных элементов, как йод и бром.

растворенных в воде веществ часто определяет ее целебные свойства. В местах выхода подземных вод с лечебными свой­ ствами, так называемых бальнеологических вод, обычно соз­ даются курорты. Особенно много лечебных минеральных вод выходит в виде источников в молодых горных областях, изо­

221

билующих тектоническими разломами, по трещинам которых

источников. Это углекислые, сильно газированные воды Кис­ ловодска, например, нарзан; сероводородные воды Мацесты; радиоактивные воды Цхалтубо и Белокурихи и т. д. Богата минеральными источниками также Восточная Сибирь, в частности Забайкалье. Так, например, здесь известны такие крупные курорты с минеральными водами, как Аршан, Дарасун, Горячинск, Ильинка, Нилова Пустынь и другие, об­ ладающие высокими лечебными качествами.

О режиме подземных вод. Положение уровня подземных вод, их состав и температура, а также расход источников не остаются все время неизменными, а подвергаются различ­ ным изменениям, в совокупности составляющим режим под­ земных вод. Изучение режима подземных вод является од­ ной из важных задач гидрогеологии, так как те или иные изменения их уровенного режима могут существенно по­ влиять на условия обводненности и заболачиваемости куль­ турных угодий, а также строительства и эксплуатации раз­ личных сооружений. С этой целью, т. е. для установления их режима, производят длительные измерения положений уровня воды в специальных режимных скважинах. В неко­ торых районах СССР, где режим подземных вод имеет осо­ бо важное значение, созданы специальные государственные гидрогеологические режимные станции, ведущие многолет­ ние работы по изучению колебаний уровня и изменений ряда их характеристик.

Причины колебаний уровня, состава и температуры под­ земных, в частности, грунтовых вод весьма разнообразны. Главные из них следующие: а) метеорологические условия или факторы; б) влияние уровня поверхностных водоемов и рек; в) инженерная деятельность человека. Среди комплек­ са метеорологических факторов основную роль играют ат­ мосферные осадки, изменения температуры п давления воз­ духа. Все эти факторы в совокупности вызывают как сезон­ ные. так и годовые изменения уровня грунтовых вод. Боль­ шое воздействие на их режим оказывают также сезонные колебания уровней рек и водоемов. Паводки на реках вы­ зывают в гидравлически связанных с ними грунтовых водах подпор, в результате чего происходит повышение их уровня на всей прилегающей к речной долине территории.

Существенное влияние на уровень грунтовых вод оказы­ вает устройство искусственных водоемов, глубоких карье­

2 2 2

ров, дренирующих местность, возведение сооружений, ас­ фальтирование обширных площадей, лесопосадки и т. д. Так, например, на ряде участков г. Ростов-на-Дону в ре­ зультате воздействия целого ряда факторов: как-то течи во­ ды из трубопровода, уменьшения испарения вследствие ас­ фальтирования значительной площади и др., уровень грун­ товых вод за последние годы поднялся от 2 до 10—12 м.

Геологическая деятельность подземных вод

Перемещаясь по пустотам и трещинам в горных породах, подземные воды вступают с ними во взаимодействие, и по­ этому они выполняют большую разрушительную и созида­

тельную работу.

Разрушительная деятельность подземных вод. Она про­ является как в растворении, так и в механическом размыве горных пород. Однако, в отличие от поверхностных текучих вод, работа подземных вод проявляется больше в химиче­ ском разрушении и выщелачивании, чем в механическом размыве. Особенно большой разлагающей и растворяющей силой обладают подземные воды, обогащенные кислородом, углекислотой, различными органическими и неорганическими веществами.

Совокупность геологических явлений, сопровождающихся частичным растворением и размывом водой горных пород с образованием в них крупных ходов и полостей называют карстовыми явлениями, а районы их развития — карстовыми областями. Весьма интенсивно карстовые процессы развива­ ются в породах карбонатного состава, в таких, как извест­ няки, доломиты, гипсы и ангидриты; при этом выщелачива­ ние их происходит как с поверхности, так и на глубине. В результате размывающей и разлагающей деятельности под­ земных вод в известняках нередко образуются карстовые колодцы, представляющие собой воронкообразные углубле­ ния. Карстовые воронки — это наиболее распространенные формы карста, широко развитые в Архангельской, Вологод­ ской, Тульской, Горьковской областях, в бассейнах рек Ан­

в Башкирии на протяжении 40 км течет под землей и лишь в 17 км от ее устья выходит на дневную поверхность. Наибо­ лее характерным отличием подземных водотоков в карсто­ вых областях является подчинение их не только действию

223

силы тяжести, но и закону сообщающихся сосудов. Проте­ кая вдоль трещин в толще известкового массива, вода по­ степенно расширяет ее до размеров крупных полостей; пос­ ледние, сливаясь между собой, нередко создают как бы систему главного подземного водотока. Выходя на дневную поверхность такого рода подземные водотоки образуют довольно крупные карстовые родники. В местах их выходов на земную поверхность образуются ниши и гроты, соеди­ ненные с горизонтальными и вертикальными ходами, на не­ которых участках, резко расширяющиеся до больших по­ лостей,— пещер.

Самой крупной пещерой на Земле является Мамонтова пещера в Соединенных штатах (штат Кентукки). Она со­ стоит из ряда залов и коридоров и имеет длину ходов до 100 км. В Венгрии пещера Агтелик имеет длину 22 км.

В пределах СССР также имеется много районов, где ин­ тенсивно развиваются карстовые пещеры. Крупнейшими из них являются пещеры Чатыр-Дага в Крыму, Барнукова пе­ щера в Горьковской области, Нижнеудинская пещера в Си­ бири и другие. На Урале и в Крыму наблюдаются ледяные пещеры. Из числа последних особенно знаменитой является Кунгурская пещера в Приуралье, расположенная на правом скалистом борту р. Сылва, вблизи г. Кунгур. Длина ее изу­ ченных ходов составляет 5 км; остальные же ходы пещеры завалены. В ней более 100 переходов и гротов; имеются озера, самое большое из которых имеет площадь до 200 ж2, глубина озер достигает 6 м. На протяжении всего лета в пещере наблюдается минусовая температура ( —2°С).

В лёссах и лессовидных суглинках также наблюдаются карстовые процессы, известные, в отличие от карстовых про­ цессов в известняках, доломитах и гипсах, под названием «глиняного» или «малого» карста. Типичными формами та­ кого типа карста являются воронки, западинки и просадоч­

ные террасы вдоль каналов, проложенных в неорошаемых ранее районах.

Изучение карстовых явлений имеет большое практиче­ ское значение. Возведение гидротехнических сооружений, строительство железных и шоссейных дорог и т. д. необхо­ димо проводить с учетом закарстованности и интенсивности протекающих на тех или иных участках карстовых процес­ сов. Особенно тщательно необходимо изучать районы закры­ того карста, которые обычно бывают слабо выражены в рельефе.

Разрушительная деятельность подземных вод проявля­

224

ется также в образовании оплывин, оползней по склонам рек, озер и морей. Первые из них представляют собой мелкие смещения, захватывающие только верхнюю, выветрелую часть горных пород на склонах возвышенностей, бортов до­ лин и т. п., которые сползают вследствие чрезмерного их увлажнения. Оползающими породами могут быть суглинки

Поэтому оплывины приносят большой вред сельскому хо­ зяйству.

В отличие от этого, оползни представляют собой смеще­ ния более крупных масштабов. Такие явления чаще всего возникают на склонах возвышенностей, по берегам рек, озер и морей, сложенных рыхлыми отложениями, наклонен­ ными в сторону откоса и особенно часто при наличии в их основании водоупорного слоя, обнажающегося в откосе. По­ верхность водоупорного слоя вследствие выхода над ними родника несколько понижается из-за растворения и механи­ ческого выноса мелких частиц подземными водами, п о э т о м у равновесие вышележащей массы горных пород нарушается и она скользит по смоченной поверхности водоупорного ло­ жа. Непосредственным поводом, ускоряющим возникновение оползней, могут служить землетрясения, сильные дожди, уве­ личивающие вес толщи лежащих над водоупорным слоем горных пород, подмыв склона рекой или морским прибоем, а также инженерная деятельность человека без учета при­ родных условий. От оползней страдают берега Волги в рай­ оне гг. Ульяновска и Саратова, Кавказские и Крымские бе­ рега Черного моря, многие районы Тянь-Шаня и др.

Основными предупредительными мероприятиями по борь­ бе с оплывинами и оползнями являются перехват и отведе­ ние поверхностных и подземных вод от участков, подвержен­ ных этим явлениям, а также технически правильное пооведение земляных работ, выполаживание подножия склонов, возведение подпорных стенок в сочетании с умелым дрена­ жем.

Особые формы рельефа развиваются на глинах и лессах. На участках интенсивного выноса подземными водами мел­ ких частиц глин и лесса происходит оседание небольших участков местности, т. е. обрушение вышележащих горных пород в пустоты, образовавшиеся в результате выноса час­ тиц горных пород движущейся водой. Это так называемая

суффозия, что означает дословно «подкапывать». В настоя­ щее время различают механическую и химическую суффо­ зию. Под механической суффозией подразумевают разрыхле­ ние горных пород и вынос из них мелких частиц током филь­ трующейся воды. Механическая суффозия в природе имеет место довольно редко; например, она может возникнуть на склонах при резком понижении уровня воды в реке.

В отличие от этого, при химической суффозии имеет мес­ то выщелачивание и вынос из горных пород током фильтрую­ щейся воды воднорастворимых солей гипса, галита и др. Хи­ мическая суффозия является одной из составных частей кар­ стовых процессов. В связи с этим необходимо отметить, что образование карстовых каверн наиболее активно протекает в периоды поднятия участков земной коры при наличии глу­ боко врезанных речных долин, играющих роль дрен. При по­ гружении участков в связи с уменьшением скорости движе­ ния подземных вод интенсивность карстообразования сни­ жается.

Созидательная дятельность подземных вод. В процессе соприкосновения с горными породами подземные воды раст­ воряют их и минерализуются. При насыщении минеральными солями они теряют способность к дальнейшему растворению. В случае, если эти воды оказались пересыщенными солями, то часть из них обычно выпадает из раствора; при этом в первую очередь выделяются наиболее труднорастворимые вещества.

Если же подземные воды протекают среди пород карбо­ натного состава, то при их растворении образуются нестой­ кие соединения бикарбоната кальция Са(НС03)2, выпадаю­ щие из раствора при его испарении и потере С 02 в виде ми­ нерала арагонита. Условия карстовых пещер также способ­ ствуют выпадению бикарбоната кальция из просачивающих­ ся в них растворов. По их стенкам образуются натечные кор­ ки различной мощности, а посередине — столбообразные на­ теки, так называемые сталактиты и сталагмиты. Первые из них представляют собой натечные образования типа ледяной сосульки, свисающей с потолка пещеры. В случае, если же подобные образования растут с ее дна, то они называются сталагмитами. Срастаясь, сталактиты и сталагмиты образу­ ют нечто вроде колонны, подпирающей потолок пещеры. Та­

Отложение минеральных солей из воды может происхо­ дить и при понижении ее температуры. Так, например, горя­

226

чие минеральные воды, пермещаясь из глубоких недр Земли в верхние холодные слои литосферы, охлаждаются; это при­ водит к осаждению в трещинах и пустотах горных пород час­ ти растворенного в них вещества. Если же процесс отложе­ ния солей продолжается в течение длительного промежутка времени, то все поры и пустоты в породе могут быть запол­ нены минеральным веществом. Таким путем из песков могут образоваться песчаники, а разбитые трещинами горные по­ роды залечиваются с образованием минеральных жил. Так, например, среди отложений горячих подземных вод большое распространение имеют кремнистые туфы (гейзериты), осаж­ дающиеся из насыщенных кремнекислотой вод. В местам вы­ хода на земную поверхность насыщенных углекислотой под­ земных вод отлагается углекислая известь в виде известко­ вого туфа — травертина. Кроме известковых и кремнистых туфов, источники отлагают большие массы бурого железня­ ка,соединения меди и многие другие минеральные вещества.

С деятельностью подземных вод связаны также прояв­ ления грязевых вулканов. Таким образом, движущиеся в земной коре воды переносят разнообразные минеральные соединения из одних участков в другие и тем самым осущест­ вляют миграцию минеральных масс в земной коре.

Значение подземных вод в сельском хозяйстве

Для целей водоснабжения, орошения полей и обводнения пастбищ подземные воды использовались людьми, начиная еще с глубокой древности. Об этом свидетельствуют сохра­ нившиеся до наших дней древние глубокие (глубиной до 100 м и более) колодцы, которые расположены вдоль кара­ ванных путей в Средней Азии и кярицы — горизонтальные подземные галереи, выводящие эти воды на земную поверх­ ность самотеком. В настоящее время в связи с дальнейшим ростом материального и культурного благосостояния совре­ менного общества, а также ростом его технической воору­ женности, использование подземных вод для указанных це­ лей чрезвычайно возросло. Так, известно, для обводнения пастбищ а сельскохозяйственного водоснабжения подземные, в частности артезианские, воды широко используются во многих зарубежных странах, таких, как США, Индия и Ав­ стралия. В США за счет подземных вод орошается 30% всех земель; в Индии орошается 28 млн. гектаров, из них за счет подземных вод 20%. Для этих целей в стране пробурено около 6000 скважин глубиной до 438 м. В Австралии, где

площадь пастбищ составляет около 175 млн. гектаров, про­ бурено и действует около 700 000 скважин.

Использованию подземных вод в народном хозяйстве чрезвычайно большое внимание удаляется и в нашей стра­ не, в связи с чем они подвергаются все более и более широ­ кому и планомерному изучению. Например, еще в начале 60-х годов планом развития народного хозяйства СССР пре­ дусматривалось обводнение 81,1 млн. гектаров пастбищ пу­ тем строительства буровых и шахтных колодцев, прудов и водоемов, водопроводов и каптажа родников. В связи с этим в исключительно широких масштабах было развернуто бурение скважин и колодцев для нужд сельскохозяйственно­ го водоснабжения. Так, в 1953 г. было пробурено 2170 сква­ жин, а в 1956 г. — 11366 скважин. Только в одном Казах­ стане для целей водоснабжения в течение 1953—1958 гг. бы­ ло пробурено 2100 скважин. Количество скважин, сооружен­ ных в течение 1955—1962 гг. только по заданию Министер­ ства геологии СССР, превосходит 16 000.

С каждым годом объем буровых работ для целей ороше­ ния, водоснабжения, обводнения пастбищ и т. д. увеличива­ ется. Так, директивами девятого пятилетнего плана на 1971—1975 гг. предусмотрено ввести в эксплуатацию за пя­ тилетие 3 млн. гектаров новых орошаемых земель, включая земли лиманного орошения, провести работы по обводнению пастбищ на площади 41,2 млн. гектаров, повышению водообеспеченности земель существующего орошения. .

Детальному изучению подземные воды подвергаются и в тех случаях, когда с ними предполагается вести борьбу. Это имеет место, например, при освоении заболоченных и засо­ ленных земель, при оздоровлении местности, при освоении участков, подверженных оползанию и т. д. Для указанных целей директивами пятилетнего плана на 1971 —1975 гг. пре­ дусматривается провести осушение сельскохозяйственных угодий в зонах избыточного увлажнения на площади 5 млн. гектаров, в том числе с закрытым дренажем на площади 3 млн. гектаров.

В связи с такими крупными мероприятиями по орошению, обводнению и осушению земель, намеченных ЦК КПСС и Советским правительством в новой пятилетке, значение и

роль подземтых вод в народном хозяйстве СССР еще более возрастает.

228

§ 5. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

Общая площадь земной поверхности составляет 510 млн. км2, из них на долю морей и океанов приходится 361 млн. км2, или 70,8% всей ее поверхности. По объему воды морей и океанов составляют 1370 млн. кмг. Эта громадная масса во­ ды находится в непрерывном движении и поэтому выполняет чрезвычайно большую разрушительную и созидательную ра­ боту.

На протяжении длительной истории развития земной ко­ ры моря и океаны не раз меняли свои границы. Ученые ус­ тановили, что почти вся поверхность современной суши не­ однократно заливалась водами морей, на дне которых проис­ ходило накопление мощных, в сотни и тысячи метров, толщ осадков. Из них впоследствии образовались различные оса­ дочные горные породы.

Соленость и химический состав морской воды. Средняя соленость морской воды составляет 3,5%, т. е. в одном литре воды растворено 35 г различных солей. Из них на долю хло­

количествах в морской воде обнаружены бром, йод, марга­ нец, цинк, свинец, медь, золото и др. На соленость верхних приповерхностных частей морских и океанических вод вли­ яют также климатические условия и впадающие в них реки. В морской воде также растворены и газы, главным образом кислород и углекислый газ.

По вопросу о происхождении солей в морской воде суще­ ствуют различные точки зрения. Согласно одной из них пер­ вичный океан был пресным и постепенно осолонялся солями, приносимыми речными водами. В соответствии с другой ги­ потезой, Мировой океан имел соленую воду с момента своего возникновения. .

Строение дна Мирового океана. На площади дна океанов выделяют три морфологические области, каждой из кото­ рых свойственны свои особенности геологической деятельно­ сти: 1) материковая отмель, или шельф, глубиной от 0 до

229