Лекция 12. Геологическая деятельность подземных вод

Горные породы не монолитны. Имеющиеся в них поры, полости, трещины могут быть вместилищем вод, именуемых в отличие от поверхностных подземными.

Поры между зернами в рыхлых породах (галечниках, песках) и трещины в кристаллических и сцементированных породах (гранитах, конгломератах) сообщаются между собой, поэтому подземная вода при наличии уклона или напора может перемещаться внутри горной породы. Скорость перемещения при прочих равных условиях будет тем больше, чем крупнее пустоты в породах. В капиллярных пустотах перемещение подземных вод крайне медленное При насыщении их водой на границе породы с водой возникают пленки поверхностного натяжения, не позволяющие, с одной стороны, частичкам воды выливаться из пор, а с другой—препятствующие проникновению новых порций воды через эту породу. О породах, способных удержать воду при наличии свободного стока, говорят, что они обладают большой водоемкостью пли влагоемкостью. Влагоемкость — свойство горных порот насыщаться водой и удерживать ее в себе. Чем больше воды может удержать порода, тем больше ее влагоемкость. Горные породы по влагоемкости делятся на влагоемкие (глина, разложившийся торф), слабовлагоемкие (мергель, лесс, супеси), невлагоемкие (трещиноватый гранит, галечник).

В галечниках (в крупных порах между гальками) может поместиться сравнительно большое количество воды, однако при предоставлении ей свободного стока вода вытекает, за исключением небольшого количества, смочившего гальку, т. е. галечники обладают большой водотдачей. Сухая глина, имеющая пористость то 60% жадно поглощает воду и, насытив ею поры капиллярных размеров становится водонепроницаемой. Глины обладают малой водоотдачей; влагоемкость их достигает 40 и даже 60%, т. е. 1 м³ глины может впитать в себя и удержать 0.4—0,6 м³ воды. Средняя пористость песков колеблется в пределах 30—35% (галечников –10-20%) но поры в них по сравнению с глинами более крупные, поэтому пески менее влагоемки, чем глины. Вследствие большой водоотдачи галечники и пески (то же трещиноватые кристаллические и сцементированные горные породы) способны пропускать через себя в единицу времени несравненно больше воды, чем, например, суглинки.

Способность горных пород пропускать воду называют водопроницаемостью. По этому признаку горные породы разделяются на водопроницаемые (например, галечники, пески, гравий и сильно трещиноватые сцементированные и кристаллические породы), полупроницаемые (супеси, лёсс, трещиноватые мергели и др.), водонепроницаемые, или водоупорные (глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф и все нетрещиноватые сцементированные и кристаллические породы).

Происхождение подземных вод. Вопрос о происхождении подземных вод для определенных территорий должен решаться самостоятельно. В ряде частных случаев удается установить, каким способом образовалась вода, но распространить это на все области земной поверхности было бы неправильно. Подземные воды образуются в основной своей массе за счет атмосферной влаги. Попав на поверхность Земли в виде атмосферных осадков, вода частично испаряется, частично стекает по поверхности Земли в реки и моря, частично проникает в Землю, просачиваясь через поры (инфильтрация) и вливаясь через трещины в породах (инфлюация). Величина просачивания дождевых и снеговых вод зависит от водопроницаемости пород, состава растительности, от рассеченности поверхности, экспозиции склона, распределения осадков по сезонам года в данной местности. Так, в горных долинах Средней Азии до 45% весенних и осенних осадков инфильтруется, зимние осадки идут в основном на формирование поверхностного стока, а летние — на испарение. Здесь на различных склонах одних и тех же хребтов просачивание резко разнится. На северном склоне оно меньше, чем на южном, где горные породы более трещиноваты и не прикрыты мощным слоем почв. Изменение соотношений между поверхностным стоком, испарением и просачиванием во времени и пространстве устанавливается в каждом конкретном месте систематическим наблюдением не менее чем в течение года. Необходимость этого вызывается сложностью и разнообразием факторов, влияющих на величину испарения, стока и просачивания.

Образование подземных вод за счет атмосферной влаги имеет место во всех климатических зонах. В пустынях, где в течение весны, лета и осени, как правило, не бывает дождей, пополнение запасов подземных вод здесь происходит за счет сгущения (конденсации) парообразной влаги, имеющейся в атмосфере и в воздухе почвы. Известно, чем выше температура воздуха, тем. большее количество влаги в парообразном виде он может содержать. При полном насыщении воздуха влагой при 0°С в 1 м³ его может содержаться до 4,5 г парообразной воды, при 15° С — до 12,7 г, а при 35° С — до 40,3 г. Обычно в воздухе наблюдается некоторый недостаток насыщения; воздух в пустынях при температуре 35° С содержит не более 20,3 г, т. е. недостаток насыщения воздуха достигает 20 г, иначе, его относительная влажность равна 50%. Ночью же при температуре 15° С он становится пересыщенным влагой. Избыток влаги (7,6 г) выпадает на поверхность почвы в виде росы, смачивает ее и частично проникает на некоторую глубину.

Процессы конденсации парообразной влаги имеют место как на поверхности Земли, так и непосредственно в пустотах горных пород. “Подземная роса” образуется за счет конденсации пара, содержащегося в воздухе, заполняющем пустоты в почве. При 100%-ной влажности воздуха в пустотах вокруг частиц породы образуется пленка воды. Пленочная вода передвигается от частиц с большим слоем пленки к частицам с меньшей толщиной пленки. Пополнение почвенного воздуха влагой может происходить за счет паров воздуха атмосферы, если упругость его будет выше упругости паров почвенного воздуха. Пар, попадая из атмосферы в воздух почвы, где температура ниже, сгущаетсяи пополняет подземные воды. Однако конденсационных подземных вод несравненно меньше, чем инфильтрационных.

Образовавшиеся путем инфильтрации и конденсации атмосферной влаги подземные воды, перемещаясь в земной коре, могут пополнять запасы рек, морей или непосредственно выходить на дневную поверхность. Здесь они испаряются, дополняя влажность атмосферы, и позднее указанным выше путем снова проникают в горные породы. Таким образом, подземные воды, образовавшиеся за счет атмосферных осадков, находятся в состоянии круговорота, почему и получили название “блуждающих”, пли “вадозных”, вод (вадо с лат. — странствую).

Воды, не бывшие в круговороте, а образовавшиеся, согласно гипотезе. Э. Зюсса (1902 г.), непосредственно из газов магмы, называются магматогенными, пли ювенильными (юными), идущими к поверхности Земли из ее недр. Позднее установили, что ювенильные воды, в понимании Э. Зюсса, т. е. в чистом виде, в поверхностных горизонтах не встречаются, но участие их в пополнении подземных вод несомненно (пары воды, выделяющиеся, например, из базальта, составляют 7—8% объема излившегося базальта). Пары воды, так же как и другие компоненты, выделяющиеся из магмы, проникают по разломам в земной коре в ее верхние горизонты, смешиваются с огромным количеством вадозных вод. Последние в свою очередь при благоприятных условиях попадают на большие глубины, где нагреваются, обогащаются новыми солями и газами, приобретая черты ювенильных вод.

Большое участие в питании подземных вод принимают фильтрующиеся воды из каналов и водохранилищ. Весьма небольшую роль в питании подземных вод играют процессы обезвоживания (дегидратации) в земной коре минералов, содержащих воду (гипс — CaSO_4*2Н₂О — содержит около 21 % воды, мирабилит — Na₂SО_4*10Н₂О — около 56% вод). Некоторыми учеными, помимо инфильтрационных, конденсационных, дегидратационных, выделяются воды реликтовые (воды древних морей и озер, погребенных в образовавшихся позже осадках), другими их существование в чистом виде, как и ювенильных, отрицается.

Классификации подземных вод. Условия нахождения подземных вод в земной коре, их химический состав, температура и происхождение чрезвычайно разнообразны, поэтому существует множество классификаций подземных вод. Особенно много классификаций по условиям залегания вод. Классификация по условиям образования вод дана выше. Согласно О. К. Ланге среди подземных вод по условиям залегания различают почвенные, грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды главным образом приурочены к почвенному слою. Подстилающие почвенный слой горные породы воздушно-сухие, поэтому почвенные воды с гидродинамической точки зрения являются подвешенными. Вглубь они могут передвигаться только тогда, когда, например, выпадут осадки и нарушат их равновесие. Воды эти летом прогреваются или даже испаряются, зимой промерзают. В засушливых районах почвенные воды нередко соленые. При высыхании их соли кристаллизуются, накапливаются в почве, превращая ее в солонец и солончак. В областях избыточного увлажнения почвенные воды богаты органическими веществами, вследствие чего они имеют желтовато-бурый оттенок и запах гниющих растений и бактерий. Постоянно избыточно увлажненные почвы называют заболоченными. Почвенные воды, имеющие большое значение для растений, являются серьезной помехой при строительстве и эксплуатации мелкозаглубляемых подземных сооружений.

Грунтовые воды залегают на некоторой глубине от поверхности Земли в пористых (паровые воды), трещиноватых (трещинные воды) или в закарстованных горных породах (карстово-трещинные воды), подстилающихся первым от поверхности Земли хорошо выдержанным слоем водоупорных горных пород. Следовательно, грунтовые воды образуют первый от поверхности выдержанный водоносный горизонт. Вследствие отсутствия у них водоупорной кровли они получают питание за счет инфильтрации и конденсации атмосферной влаги на всей площади распространения; площади питания и распространения совпадают. В питании грунтовых вод могут принимать также участие воды рек, каналов, озер, водохранилищ, а также воды нижерасположенных водоносных горизонтов.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом (скатерть) грунтовых вод, ниже которого до водоупорного ложа все пустоты в горной породе заполнены гравитационной подземной водой, т.е. водой, способной перемещаться из повышенных мест в пониженные под действием силы тяжести. Та часть водоносного слоя, в которой все пустоты заполнены подземной водой, называется зоной насыщения. Выше зеркала грунтовых вод располагается зона аэрации, к верхней части которой приурочены почвенные воды, а к нижней (непосредственно у зеркала грунтовых вод)—воды капиллярной каймы (бахрома). В ней водой заполнены лишь отдельные капиллярные пустоты. Мощность капиллярной каймы для различных пород различна: в крупнозернистых галечниках, в трещиноватых и закарстованных породах, где пустоты крупные, капиллярная кайма практически отсутствует; в мелкозернистых песках мощность ее достигает 0,25 м; в легких суглинках — 0,90 м, а в более мелкозернистых породах мощность ее еще больше. В областях с жарким климатом воды капиллярной каймы вызывают засоление почв, участвуют и в формировании коры выветривания (хлоридной, сульфатной, карбонатной). Так, в ряде районов Каролинской степи и в других пустынных районах Средней Азии в процессе капиллярного подъема подземной воды образуется скопление пористого почвенного гипса, мощность которого в современных шорах достигает 2—2,5 м, а в доисторических — нескольких десятков метров.

В средней части зоны аэрации нет пор, постоянно заполненных водой. Через нее лишь происходит питание нижележащего водоносного горизонта. Однако наблюдаются случаи слияния почвенных и грунтовых вод в местах, например, заболачивания, интенсивного орошения полей, а также при Дружном таянии снега:

Подземные воды, накапливающиеся в виде линз над слабопроницаемыми пропластками (в период обильных осадков или обильного таяния снега) в зоне аэрации, рядом гидрогеологов выделяются в особый класс — “верховодка”. Эти воды сезонные, поэтому они не имеют большого практического значения.

Амплитуда температурных колебаний грунтовой воды меньше, чем у почвенной. Если грущювые воды встречаются на глубине нескольких метров, то они никогда (кроме областей многолетней мерзлоты) не промерзают, температура их значительно не понижается зимой и не повышается летом. Летний прогрев и зимнее охлаждение поверхности Земли с резким запаздыванием достигают уровня грунтовых вод, поэтому грунтовые воды в колодцах кажутся прохладными летом и теплыми зимой.

По качеству грунтовые воды довольно различны. Если вмещающие их горные породы содержат небольшое количество растворимых веществ, то и вода в них пресная, мягкая. Если грунтовые воды протекают по горным породам с большим содержанием легкорастворимых солей (NaCl и др.), могут образоваться рассолы, которые нередко используются для выварки из них поваренной соли (воды северо-восточных районов европейской части СССР). Солоноватая и соленая грунтовая вода встречается в пустынях, где расходование подземных вод на испарение резко превышает их пополнение в пределах самой пустыни.

В местах близкого залегания к поверхности Земли грунтовые воды могут быть загрязненными, так как не имеют над собой водонепроницаемой кровли.

Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным; последнее наблюдается лишь там, где имеются участки с застойной грунтовой водой, называемые бассейнами грунтовых вод (обычно в местах понижения водоупорного ложа). Чаще поверхность грунтовых вод в сглаженном виде повторяет рельеф поверхности, несколько повышаясь под- холмами и понижаясь между ними. По направлению уклона зеркала грунтовых вод образуются потоки грунтовых вод, подчиняющиеся силе тяжести.

Если водоносный слой пересекается долиной реки, срезается берегом озера или моря, то грунтовая вода выходит на поверхность в виде выпотов, или мочежин, вдоль всего подножья водоносного слоя, а в местах понижения водоупорного слоя или увеличения трещиноватости нередки сосредоточенные выходы грунтовых вод — родники (источники). Источники, образованные грунтовыми водами, нисходящие — безнапорные. В местах выхода источников происходит разгрузка (дренаж) грунтовых вод. Поверхность потока грунтовых вод, снижаясь в сторону выхода их, образует плавную кривую поверхность, носящую название депрессионной поверхности. Она может иметь уклон в сторону озера, реки или от них. В первом случае поверхностные воды питаются за счет подземных вод, во втором подземные за счет поверхностных. Соотношение уровня грунтовых вод и уровня рек зависит прежде всего от климата местности. В условиях влажного и умеренного климата реки питаются грунтовыми водами (Волга, Днепр, Ока), а в местностях с засушливым климатом чаще грунтовые воды питаются за счет рек (низовья Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи). На соотношение уровней подземных и поверхностных вод существенно влияет деятельность человека, проявляющаяся особенно активно в нашей стране, где за годы Советской власти построены многочисленные водохранилища, проведены крупные оросительные каналы.

Скорость движения грунтовых вод по сравнению со скоростью движения воды в реках невелика. Даже в крупных галечниках и сильно трещиноватых породах она не превышает 100 м/сут, в крупнозернистых песках падает до 15—20 м/сут, а в мелкозернистых песках — до 1—5 м/сут. В слабоводопроницаемых породах воде для прохождения нескольких сот метров требуются месяцы.

Грунтовые воды безнапорные. При вскрытии их колодцами, буровыми скважинами вода в них не поднимается. При отборе воды из колодца вокруг него образуется воронкообразное понижение грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод на различных участках неодинакова. Чаще наблюдаются глубины от 0 до 20м в зависимости от глубины залегания водоупорнoго ложа.

Качество и количество грунтовых вод даже в пределах одной и той же зоны подвержены значительным и разнообразным сезонным колебаниям, зависящим от режима выпадающих осадков, режима поверхностных водотоков, с которыми они связаны, от площади питания и от других природных и искусственных факторов. Поэтому режим грунтовых вод (изменение их уровня, состава температуры и других физических свойств во времени) изучается специальными Государственными режимными станциями. Полученный при этом материал дает возможность наиболее полно охарактеризовать водоносный горизонт и дать прогноз о возможных изменениях качества и количества воды, что имеет большое значение при решении народнохозяйственных задач по использованию грунтовых вод и по борьбе с ними.

Грунтовые воды, не подчиняющиеся зональности (азональные грунтовые воды), встречаются в аллювии речных долин, протягивающихся иногда на тысячи километров и потому пересекающих несколько зон. В питания этих вод большое участие наряду с атмосферными осадками принимают речные и грунтовые воды, притекающие со стороны коренных склонов долины и из аллювия боковых притоков. Очевидно, что в аллювиальных отложенияхнебольших (особенно равнинных) рек, где аллювий обычно обогащен глинистыми частицами, грунтовые воды не обильны. В долинах крупных рек, таких, как Волга, Днепр, где аллювиальные отложения представлены средне- и крупнозернистыми, песками и достигают нескольких десятков метров мощности, грунтовые воды очень обильны. Обильные потоки грунтовых вод встречаются в древних водно-ледниковых долинах, сложенных в основном крупнозернистыми песками и занимающих обширные пространства. В местах сужения долин или уменьшения мощности аллювиальной толщи, а также при обогащении аллювия пролювием в местах впадения временно действующух притоков происходит выклинивание вод из аллювия часто в виде группы родников. К грунтовым водам относятся также воды в трещиноватых и закарстованных горных породах, выходящих на дневную поверхность. Грунтовые воды в трещиноватых породах сосредоточены в пределах коры выветривания. В этих областях в период таяния снегов и обильных дождей по долинам появляется много родников с малыми расходами.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых наличием водоупорной кровли. Благодаря этому поверхностные воды не могут просочиться до межпластовых на всей площади их распространения. Область питания межпластовых вод иногда удалена от места их расходования на сотни километров.

Если межпластовые водоносные горизонты вскрываются речной долиной или глубоким оврагом и образуют нисходящие родники, то в данном случае подземная вода притекает из области питания в речную долину по наклонной поверхности водоупорного ложа. Такая межпластовая вода носит название нисходящей. Она не заполняет полностью водоносного слоя и характеризуется, так же как грунтовая вода, ненапорной поверхностью. Нисходящие межпластовые водоносные горизонты могут располагаться несколькими этажами. При вскрытии их оврагом или долиной реки родники также располагаются несколькими этажами (побережья рек Волги, Дона, Оки).

В тех случаях, когда межпластовый водоносный горизонт не имеет- свободного выхода на поверхность, накапливающаяся в нем вода заполняет его до водоупорной кровли и вследствие этого находится под гидростатическим напором. Высота напора подземной воды зависит от того, насколько область питания водоносного слоя превышает область расходования межпластовой воды. При вскрытии напорных вод буровым колодцем вода в нем поднимается выше водоупорной кровли и притом тем выше, чем больше гидростатический напор, обусловленный величиной превышения зоны питания над зоной разгрузки. В колодцах, заложенных в пониженных участках рельефа, вода может изливаться на поверхность или даже фонтанировать, если пьезометрический, или напорный, уровень вод выше, чем абсолютная отметка устья выработки в данной точке рельефа.

Буровые скважины, в которых вода поднимается под гидростатическим напором, а иногда даже фонтанирует, называются артезианскими (Артезиа, ныне Артуа — местность на севере Франции, где впервые были изучены напорные воды), а горизонт межпластовых вод, обладающих напором воды, носит название артезианского водоносного горизонта. Напорные межпластовые воды образуются в определенных структурных условиях. Наиболее благоприятной для их формирования является прогнутая (синклинальная) форма залегания пластов. Однако подземная вода может оказаться под гидростатическим напором и при односклонном залегании слоя, если водопроницаемость его постепенно уменьшается или он сменяется водонепроницаемым слоем. При чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых пластов может быть несколько водоносных горизонтов с напорной водой.

Областью питания подземных вод является место выхода водопроницаемых пород на поверхность Земли. Области питания и распространения межпластовых вод составляют бассейн артезианских вод. Иногда напорные воды по трещинам или при частичном размыве водоносного горизонта выходят на поверхность, образуя восходящие родники.

Глубина залегания артезианских вод (так же как и наличие их), температура, состав вод определяются естественноисторическими условиями бассейна и прежде всего геологическим строением его.

Артезианские воды широко используются для водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий, так как бассейны артезианских вод нередко содержат большие запасы воды хорошего качества, причем качество и количество ее изменяются мало. Так, г. Махачкала широко использует для отопления жилых и промышленных зданий, а также для парников воду из артезианского бассейна с t=65° С.

Минерализация подземных вод. Подземные воды являются растворами сложного состава. В виде примесей в них содержится то или иное количество углекислого газа, иногда сероводорода, метана и других газов, растворенные соли различных кислот, различных органических веществ. Содержание растворенных компонентов принято называть общей минерализацией воды, определяющейся путем выпаривания воды в фарфоровой чашке. Оставшийся сухой остаток, просушенный при температуре 105—110° С, выражают в граммах или миллиграммах плотного (сухого) остатка на 1 л воды. В. И. Вернадский разделил все воды по степени минерализации на пресные — с сухим остатком до 1 г/.г, солоноватые — от 1 до 10 г/л, соленые — от 10 до 50 г/л и рассолы — более 50 г/л (до 550 г/л). Среди пресных вод выделяются жесткие — с сухим остатком 0,25—1 г/л и мягкие — с сухим остатком менее 0,25 г/л. Жесткость подземных вод определяется наличием солей Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, СаС1₂, MgCl₂; соленость — CaS0₄, MgSO₄, СаСl₂, MgCl₂ NaHCO₃, Na₂SO₄, NaCl; щелочность — Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, NaHCO₃.

Минерализация подземных вод зависит от степени растворимости горных пород, с которыми они соприкасались на пути от области питания к области расходования, от температуры воды, наличия в воде растворенных газов и солей (до соприкосновения с новыми породами), от продолжительности соприкосновения.

Растворимость различных минералов или пород в воде неодинакова. Легкорастворима, например, поваренная соль (сотни граммов на 1 л воды). Гипс и ангидрит считаются среднерастворимыми (3—5,5 г/л). Труднорастворимы известняк и доломит (при нормальной температуре и давлении — 0,2—0,3 г/л. Сравнительно хорошо растворимы в подземной воде сульфиды, поэтому их и ряд других полезных ископаемых можно находить на основе изучения химического состава подземных вод. Кварц, полевой шпат и слюды относятся к практически нерастворимым.

Растворимость отдельных пород резко повышается при наличии в воде тех или иных газов или солей. Так, например, в 1 л воды, лишенной углекислоты, может раствориться не более 0,2 г кальцита. Если вода насыщена углекислотой, растворимость кальцита повышается в три-пять раз. Такая вода, протекая в известняках, несет довольно много бикарбоната кальция. В случае испарения углекислоты часть его выпадает в осадок. Присутствие в воде поваренной соли (NaCl) повышает растворимость гипса в 2,5—3,5 раза. Органические вещества, содержащиеся в воде, являются восстановителями различных минеральных соединений.

Повышение температуры также способствует растворяющей деятельности подземных вод.

Температура подземных вод зависит от глубины их залегания и глубины циркуляции. Воды с температурой до 20° С называют холодными, от 20 до 42° С — теплыми, а выше — горячими, термальными водами, или термами. Термальные воды поднимаются к земной поверхности чаще с большой глубины. Вблизи вулканических очагов (действующих или потухших) глубина их небольшая.

Воды этих районов называются термальными — вулканогенными. С вулканическими очагами связаны также гейзеры — периодически действующие источники, выбрасывающие фонтаны пара и горячей воды (t=80—100° С). Высота фонтанов у отдельных гейзеров достигает 50 м и выше. Гейзеры имеются в Исландии, Италии, на острове Ява, в Новой Зеландии, в Америке (йеллоустонский национальный парк), в Тибете, на Камчатке где их описано несколько десятков.

Не все высокотемпературные подземные воды свидетельствуют о связи их с магматическими очагами. Нередко вадозные воды, передвигаясь на глубинах 1,5—2,0 км и более нагреваются за счет общего возрастания температуры с глубиной. Под гидростатическим или газовым напором они поднимаются по локальным трещинам в земной коре пли изливаются на поверхность Земли при вскрытии водоносных горизонтов буровыми скважинами, если воды эти обладают напором. Так, в Московском артезианском бассейне (на глубине 1,4—1,5 км) вскрыта вода с температурой 40°, в Тбилиси 50°, в Ташкенте на глубине 2,5 км 70° С. Температура термальных источников не зависит от времени года. У различных источников температура различна: термальные источники в Горячеводске на Кавказе имеют температуру от 44 до 80°, пятигорские источники — от 27 до 51°, железноводские — до 44°, источник Арасан в Ангренском бассейне (Тянь-Шань) — 39,5°, источники Баргузинского заповедника — от 43 до 76° С. В Болгарии имеется источник с температурой 101° С.

Если вода обладает редкими растворенными в ней солями, высокой температурой, радиоактивностью или газирована, она называется минеральной.

Наиболее известными типами минеральных вод являются: 1) углекислые воды, сильно газирующие углекислотой (нарзан Кисловодска, славяновская вода Железноводска); 2) сероводородные, или сульфидные, воды (воды Мацесты, Сергиевские минеральные воды в Поволжье); 3) радиактивные (радоновые) воды (Цхалтубо, Белокуриха в Алтайском крае и т. п.) и др. Широко минеральные воды используются для бальнеологических целей.

Воды с большим содержанием в них солей используются для получения йода, брома, бора и ряда других химических продуктов.

Разрушительная и созидательная деятельность подземных вод. Подземные воды, перемешаясь по пустотам пород, вступают с последними во взаимодействие и производят геологическую работу. В этом отношении подземные воды можно, с одной стороны, рассматривать, как фактор разрушительный, а с другой — как фактор созидательный.

Разрушительная деятельность подземных водпроявляется как в растворении, так и в механическом размыве горных пород. Причем в отличие от поверхностных вод работа подземных вод проявляется в большей мере в химическом разрушении, выщелачивании нежели в механическом размыве. Подземная вода, богатая кислородом, углекислотой, органическими и неорганическими веществами, является геологическим фактором, разлагающей и растворяющей силе которого с течением времени не может сопротивляться ни одна порода.

Совокупность геологических явлений, связанных с частичным растворением и размывом водой горных пород и образованием в них крупных ходов и полостей, называют карстовыми явлениями, или карстом, а районы их развития — карстовыми областями.

Интенсивному карстованию подвержены известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, причем выщелачивание их может происходить как на поверхности, так и на глубине. Вначале по гладкой поверхности, например, известняка, струн воды, насыщенные углекислотой, растекаются более или менее равномерно. Но как только появляются на этой поверхности первые промоинки, приуроченные нередко к тончайшим трещинам, возникает направленный сток — сосредоточивается в промоинах. В этих местах выщелачивающая деятельность воды становится интенсивнее, промоинки расширяются и углубляются. В конечном итоге поверхность известнякового массива оказывается изрезанной бороздами и желобами (каррами), разделенными узкими гребнями: превышение последних над первыми достигает иногда 8—12 м. Такая поверхность называется карровой.

Вода, движущаяся по поверхности известкового массива, при встрече трещины проникает по ней в глубь массива, производя размывающую и растворяющую работу. В результате образуются карстовые колодцы. Подход к колодцу часто представляет собой воронкообразное углубление, в которое вода, по народному выражению, “поныряет”, отсюда и название этих колодцев “поноры”^:. Воронки являются преимущественно сухими и лишь сдельные из них бывают заполнены водой (карстовые озера). Воронки — наиболее распространенные формы карста. Они развиты в Архангельской, Вологодской, Тульской, Горьковской областях, вдоль западного склона Урала, в бассейнах Ангары, Енисея, на Кавказе, в Крыму. Воронки располагаются иногда цепочкой вдоль разлома или над горизонтальным карстовым каналом, или над крупной вытянутой пещерой. Сливаясь, они могут образовать более крупные карстовые внешние формы — котловины, или полья. Полья могут возникнуть и путем провала кровли над внутренними формами карста. В рельефе они представляют собой нередко обширные замкнутые впадины с крутыми бортами и с плоским дном, изобилующим понорами, площадью в несколько десятков или единиц сотен квадратных километров. К ним бывают приурочены озера и речки.

В карстовых областях наблюдается исчезновение рек и периодическое исчезновение озер. Река, вступая в район развития карста, уходит под землю, не замедляя иногда своего течения. Примеры исчезновения рек можно наблюдать в Крыму, на Кавказе. Наиболее характерным отличием подземных водотоков в закарстованных областях является подчинение их не только действию силы тяжести, но и закону сообщающихся сосудов, поэтому при сифонообразных формах ходов водотоки могут быть восходящими. Временное исчезновение озер в карстовых областях наблюдается в засушливые годы или сезоны года, когда уровень грунтовых вод в карстовых пустотах резко понижается.

Вода, протекая по трещинам в толще известкового массива, постепенно расширяет трещины до крупных полостей. В наиболее крупных из них сосредоточиваются основные водотоки; нередко отдельные полости сливаются между собой и создается как бы система главного подземного водотока с впадающими в него отдельными притоками. Такой подземный водоток, выйдя на поверхность, образует довольно крупный карстовый родник.

Расходы карстовых родников могут резко изменяться по сезонам года. Весной после снеготаяния или обильных дождей родники нередко дают большое количество воды. С наступлением сухого лета количество воды в них резко падает, иногда они исчезают совсем.

Родники в долинах, прорезающих карстовые области, летом сохраняются лишь в особо благоприятных условиях: например, на контакте растворимых пород с водонепроницаемыми породами, по линии разломов, собирающих подземные воды. Это обусловлено тем, что кора выветривания в растворимых породах хорошо развита несколько ниже базиса эрозии местной гидрографической сети, поэтому родники, питающиеся карстовой водой, выклиниваются часто не в речных долинах, а на дне озер и морей, в которые падают развитые в этих карстовых областях реки.

В местах выхода карстовых вод на поверхность Земли образуются ниши, гроты, соединенные с горизонтальными и вертикальными ходами (колодцами), местами резко расширенными до больших полостей — пещер.

Пещеры состоят нередко из нескольких залов, соединенных причудливыми переходами, коридорами, соответствующими первоначальной системе трещин в породе. Вся эта система пустот развивается к базису эрозии местной гидрографической сети. Понижение его приводит к понижению уровня карстовых вод, в связи с чем развивается новая система полостей к новому базису эрозии; прежняя система, составляющая теперь верхний этаж, осушается, и карстовые процессы здесь несколько замедляются. Многократность понижения базиса эрозии приводит к многоэтажности полостей.

Некоторые карстовые пещеры бывают в большей или меньшей степени заполнены льдом. Ледяные пещеры наблюдаются на Урале, в Крыму, хотя климатические условия в Крыму таковы, что, казалось бы, наличие ледяных пещер исключается. Накопление льда в пещерах возможно благодаря ходам, постепенно спускающимся вглубь. Такие пещеры зимой интенсивно промерзают. Весной в них попадают пары и вода от талого снега и замерзают там. В пещере, таким образом, скапливается над снегом и льдом холодный воздух. А так как холодный воздух тяжелее теплого, то он в пещере застаивается. В таких условиях в обширных и глубоких пещерах лед сохраняется до следующего года. В небольших пещерах лёд держится до половины лета.

Из ледяных пещер в РФ особенно знаменита Кунгурская (Приуралье). По своему протяжению она является самой большой в бывшем СССР и второй в мире среди гипсовых пещер. Пещера находится в правом скалистом борту р. Сылвы, близ г. Кунгура. Длина ее изученных ходов 5 км, остальные ходы завалены обломками пород и малодоступны. В пещере более 100 переходов и гротов. В них 36 озер (самое большое площадью 200м²). Глубина озер до 6 м. Уровень воды в озерах находится в зависимости от уровня воды в р. Сылве. Г. А. Максимович, изучавший Кунгурскую пещеру, установил, что ее этажность увязывается с древними террасами Сылвы. На протяжении всего лета в пещере господствуют отрицательные температуры (до —2°С). В отдельных гротах ее, в особенности в “Бриллиантовом”, “Крестовом”, “Западном”, стены и потолок покрыты бесчисленными кристаллами льда; выходы и сами гроты украшены причудливыми ледяными драпировками из сталактитов и сталагмитов.

Пещеры интересны для изыскателя и научного работника, так как таят нередко в себе ряд данных по палеонтологии и археологии, а также помогают выяснить процессы образования полезных ископаемых, которыми они иногда нацело бывают выполнены. Изучение карста имеет большое практическое значение. Возведение гидротехнических сооружений (водохранилищ, плотин, каналов), проведение железнодорожных и автомобильных путей, заложение подземных выработок на то или иное полезное ископаемое и т. д. необходимо проводить с учетом закарстованности массива и интенсивности протекающих в нем процессов, чтобы оградить строительство от неожиданных катастроф (утечки воды из водохранилищ, прорыва воды в выработках, провалов под сооружениями и т. п.). Особенно тщательно необходимо изучать районы так называемого закрытого (среднеевропейского) карста, где поверхностные карстовые формы в отличие от открытого (средиземноморского) карста слабо выражены.

В лёссах и лёссовидных суглинках также наблюдаются карстовые процессы, которые в отличие от процессов в известняках, доломитах и гипсах получили название “глиняного”, или малого, карста. Типичными формами малого карста этих районов являются воронки, западники и просадочные террасы вдоль каналов, проложенных в не орошаемых ранее районах.

Разрушительная деятельность подземных вод наглядно проявляется также в образовании оплывин, оползней по склонам рек, озер и морей.

Оплывинами называются мелкие смещения, захватывающие только поверхностную, выветрелую часть пород, слагающих склоны возвышенностей, бортов долин и т. п. и сползающих вследствие чрезмерного увлажнения.

Оползни представляют собой смещение более крупных масштабов. Они чаще всего образуются на склонах возвышенностей,по берегам рек, озер, морей, сложенных рыхлыми породами, наклоненными в сторону откоса, и особенно часто при наличии в их основании водоупорного (глины, суглинки) слоя, обнажающегося в откосе. Поверхность водоупорного слоя вследствие выхода над ними родника несколько понижается за счет растворения механического выноса мелких частиц подземными водами, равновесие вышележащей массы горных пород нарушается, и она скользит по смоченной поверхности водоупорного ложа.

Оползни в жестких породах возможны при наличии уклона слоев или трещин к основанию склона, достаточного количества грунтовых вод и водоупорного слоя, покрытого водопроницаемыми слоями. В глинистых и песчано-глинистых породах оползни могут образовываться и при горизонтальном залегании коренных пород или даже при наличии наклона слоев в глубь склона. Этому способствует суффозия (с лат. — подкапывание, т. е. растворение и механический вынос водой мельчайших частичек).

Непосредственным поводом, ускоряющим возникновение оползней, могут служить землетрясения, сильные дожди, увеличивающие веса толщи горных пород, лежащих над водоупорным слоем, подмыв склона рекой или морским прибоем, а также деятельность человека без учета природных условий (неумелая поливка садов и огородов, нерациональный сброс излишней воды, перегрузка тяжелыми сооружениями, дорогами и пр.). От оползней сильно страдают берега Волги в районе городов Ульяновска и Саратова, берега рек Оки, Миасса, Дона, Днепра и др., кавказские и крымские берега Черного моря, многие районы Тянь-Шаня, Памира и др. Так, долина реки Зеравшан в результате гигантского оползня (у с. Айни, Таджикская ССР) 24 апреля 1964 г. оказалась перегороженной. Возникла плотина высотой в 250 м. На создание такой плотины людям, оснащенным современной техникой, потребовались бы многие месяцы работы. Выше оползня по течению реки образовалось большое водохранилище, ниже — безводное русло. Тающие ледники и дожди пополняли водохранилище ежедневно на 6—7 млн. м³ воды. Громадная масса воды, скопившаяся перед оползшей массой, грозила прорывом и затоплением селений, расположенных ниже по долине, но благодаря умелому и оперативному спуску воды по прорытому в коренных породах обводному руслу катастрофу удалось предотвратить. Непосредственной причиной оползня явилось небывалое количество осадков, выпавших здесь накануне. В результате пересыщения пород водой в горе Дориварз образовалась глубокая трещина отрыва, давшая начало оползню.

Оползень-гигант (объем свыше 200 млн. м³) образовался в 1963 г. в горах Дагестана. Он перегородил реку Мочок, образовав озеро. Избыток воды ныне сбрасывается, а в будущем здесь будет построена гидроэлектростанция. Этот оползень, возникший" в результате сильных дождей,— подарок природы нарочто является большой редкостью, чаще же оползни приносят ущерб.

Оползни иногда захватывают большую часть берега протяжением в несколько километров и в ширину до нескольких сотен метров. Они увлекают с собой леса, сады, здания, участки железных и автомобильных дорог.

Основными предупредительным” мероприятиями по борьбе с оползнями являются перехват и отведение поверхностных и подземных вод от участков, страдающих от оползней, а также технически правильное про технически проведение земляных работ, выполаживание подножья склонов, возведение подпорных стенок в сочетании с умелым дренажом подземных вод. Меры борьбы с оползнями рассматриваются в курсе Инженерная геология.

Нередко на берегах рек, озер и морей имеют место обвалы. Последние отличаются от оползней быстротой смещения крупных масс горных пород. При обвалах масса, отделившаяся от борта долины или склона горы, падает или катится с колоссальной скоростью вниз, распадаясь при этом на более или менее крупные части. Отдельные глыбы, ударившись с громадной силой о дно, отбрасываются к противоположному борту долины, где нередко нагромождается вал из щебня и глыб не меньшего размера, чем у подножья борта, с которого скатилась оторвавшаяся масса. Обвалы широко развиты в ныне растущих горах Кавказа. Карпат, Тянь-Шаня и Памиро-Алая. Обвальные массы здесь нередко перегораживают речные долины, образуя озера. В образовании некоторой части этих обвалов существенная роль принадлежит подземной воде.

Оползни и обвалы вызывают разрывы в слоях, изменения в залегании их (заворот голов пластов на склонах, являющихся результатом смещений коренных пород). Необходимо, однако, отметить, что эти нарушения затрагивают лишь верхнюю часть пород и не распространяются на сколько-нибудь значительное расстояние в глубь коренных пород.

Созидательная деятельность подземных вод.В процессе соприкосновения с горными породами подземная вода растворяет их и минерализуется. Когда насыщенность воды минеральными солями достигает своего предела, вода теряет способность к дальнейшему растворению. Если вода оказывается пересыщенной солями, она выделяет часть растворенных ею солей. При этом в первую очередь выделяются наиболее труднорастворимые вещества.

Выделение из воды веществ вызывается также разнообразными внешними причинами. При просачивании воды среди известняков и растворении их образуется нестойкое соединение бикарбоната кальция Са(НС0₃)₂, который при испарении и потере СО₂ легко выпадает из раствора в виде арагонита (разновидность кальцита). Условия карстовых пещер также способствуют выпадению бикарбоната из просачивающихся в них растворов. По стенкам карстовых пещер образуются натечные корки различной мощности, а в их полостях — столбообразные натеки, известные под названием сталактитов и сталагмитов. Сталактитом называют натечное образование типа ледяной сосульки, свисающей с потолка пещеры. Капли воды, просачивающиеся через известковую толщу в полость пещеры, испаряются с ее потолка, оставляя растворенные соли. Местом стока отдельных капелек, обычно является какой-нибудь бугорок на потолке пещеры, иногда корень наземного растения. На его поверхности со временем накапливается арагонит, слагающий сосульку, постепенно удлиняющуюся и утолщающуюся. Если воды просачивается много, то часть капель падает на дно пещеры и здесь испаряется; тогда подобное образование растет со дна пещеры и называется оно сталагмитом. Нередко сталактиты и сталагмиты срастаются, образуя нечто вроде колонны, подпирающей потолок пещеры. Таким образом, может произойти заполнение карстовой полости и ее цементация. Заполнение карстовых полостей новообразованиями — процесс очень длительный.

В зависимости от состава солей растворов, которые просачиваются и заполняют карстовые полости, образуются последовательные наслоения концентрических корок различного минерального состава (кальцита, гипса, опала, лимонита и др.).

С карстовыми пустотами связывают нахождение ряда полезных ископаемых: россыпные месторождения золота и никеля, месторождения железных (окисленных) и марганцевых руд, огнеупорных глин, фосфоритов, нефти, бокситов, минеральныхвод и т. п.

В местах выхода на поверхность Земли подземной воды, насыщенной углекислотой, отлагается углекислая известь, образуя известковый туф (травертин). Углекислая известь (то же и другие соли) может отлагаться в трещинах и порах горных пород (если меняется, например, газовый состав воды — углекислота улетучивается), постепенно их цементируя.

Отложение минеральных солей из воды происходит и при понижении ее температуры. Предположим, вода поднимается с большой глубины и имеет высокую температуру. На своем пути она растворяет различные минеральные массы. Попав в холодные части земной коры, она выделяет часть растворенного в ней вещества, осаждающегося в трещинах или в порах пород. Если процесс отложения солей длится долгое время, то все пустоты заполняются минеральным веществом, принесенным водой. Порода цементируется. Пески, например, превращаются в песчаники, а разбитые трещинами горные породы спаиваются. В трещинах могут образоваться минеральные жилы. Если среди растворимых в воде солей есть соли металлов, то возможно возникновение и рудных гидротермальных месторождений (серебра, свинца, меди, золота, железа, цинка и пр.). Среди отложений горячих подземных вод большое распространение имеет кремнистый туф (гейзерит), отлагающийся из вод, насыщенных кремнекислотой. Кроме известковых и кремнистых туфов, источники отлагаю и большие массы бурого железняка, соединения меди и многие другие минеральные вещества. Среди отложений гейзеров Иеллоустонского парка (США) найдены санидинообразные полевые шпаты.

С деятельностью подземных вод связано проявление грязевых вулканов. Таким образом, движущаяся в земной коре вода переносит разнообразные минеральные соединения из одних областей в другие и осуществляет тем самым миграцию минеральных масс в земной коре.

Подземные воды в областях многолетней вечной мерзлоты. Подземные воды в указанных областях обладают рядом особенностей. Многолетнемерзлыми горными породами называются породы, имеющие отрицательную температуру продолжительно долгий период времени, определяющийся десятками и сотнями тысяч лет. Вода в порах и трещинах в вечномерзлых горных породах находится в твердой фазе — в виде льда, выступающего в роли цемента. В трещинах образуется жильный лед. Лед встречается и в виде прослоев. Многолетняя мерзлота имеет место в областях со среднегодовой температурой ниже 0°С. Сущность вечной мерзлоты заключается в том, что промерзающая зимой почва и подстилающие ее коренные породы не успевают в летнее время целиком оттаять, оттаивает лишь верхняя часть (0,5—2,5 м), получившая название деятельного слоя. Мощность этого слоя зависит от характера слагающих пород, влажности, от климата, рельефа и пр. и изменяется от нескольких сантиметров до 3—5 м. Под деятельным слоем располагается слой многолетней мерзлоты горных пород, часто с таликами и трещинами, к которым бывают приурочены подземные воды. Ниже следуют талые породы, в водопроницаемых разностях которых движутся подземные воды.

Вечная мерзлота широко развита на нашей планете, занимая до 25% всей ее поверхности.

Распространение подземных вод в условиях вечной мерзлоты зависит не только от состава горных пород, но и от степени их промерзания. Слои вечной мерзлоты водоупорны.

Подземные воды в области вечной мерзлоты, по Н. И. Толстихину, подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные.

Надмерзлотные воды, приуроченные к деятельному слою, рассматриваются как грунтовые; водоупором для них служит слой вечной мерзлоты. Питаются они за счет атмосферных осадков и инфильтрации из поверхностных водотоков, а также за счет подпитывания водами более глубоких водоносных горизонтов. Последние в свою очередь могут на других участках сами питаться за счет вод деятельного слоя. Воды эти пресные, богаты органическими веществами. Надмерзлотные воды зимой промерзают. Так как промерзание начинается сверху, то образовавшийся сверху слой мерзлых грунтов за счет увеличения объема (при переходе из жидкой фазы в твердую) вызывает в зажатой оставшейся воде деятельного слоя напор. При этом развивается значительное давление на кровлю, под влиянием которого податливые грунты ее вспучиваются, образуя бугры, заключающие в себе гидролакколиты (караваеобразные тела льда, по-якутски “булгуняхи”). В их образовании нередко принимают участие и межмерзлотные воды. При разрыве бугра часть воды выливается, образуя наледи — гидроэффузивы.

Своеобразные бугры образуются здесь на заболоченных участках: торфяные бугры, мари — группа мелких в 0,5—1,0 м высотой бугров, разделенных заболоченными понижениями. При вытаивании подземного льда на поверхности Земли появляются различные формы термокарстовых понижений — провалы, блюдца, термокарстовые озера. Такие котловинообразные понижения могут образоваться и при оттаивании многолетнемерзлых грунтов, вызванным, например, рубкой лесов и т. п. Не занятые озерами понижения, покрытые часто лугами, получили названия аласов (якутское).'

С явлением ледниковой деформации грунта приходится считаться при возведении сооружений на вечномерзлых грунтах. Под зданием может образоваться талик, в который устремится напорная вода и превратит здание в громадную наледь или произойдет осадка здания.

С деятельным слоем широко связаны солифлюкционные процессы (почвотечение), под которыми понимается течение рыхлых, сильно переувлажненных (в весенний период особенно), оттаявших масс горных пород по мерзлому слою на склонах возвышенностей и бортах речных долин при их уклонах выше 3—5°. При этом образуются нагорные (солифлюкционные) террасы и своеобразные натечные языки. Солифлюкция здесь способствует моделированию склонов.

К надмерзлотным водам относятся воды многолетних надмерзлотных таликов, залегающих под руслами рек и озер. Талики образуются за счет отепляющего действия поверхностных вод. Под крупными реками районов развития вечной мерзлоты встречаются сквозные талики, являющиеся своеобразными областями питания и дренирования подземных вод других водоносных горизонтов зоны. Грунтовые воды непромерзающих надмерзлотных таликов используются в ряде случаев для водоснабжения.

Межмерзлотные воды в жидкой фазе связаны часто с надмерзлотными и подмерзлотными. Не промерзают межмерзлотные воды вследствие непрерывности движения и повышенной их минерализации, но они всегда имеют отрицательную температуру. Они, как правило, обладают напором, постоянным режимом и хорошими санитарными качествами, в связи с чем имеют большое значение (в случае слабой минерализации) для целей водоснабжения. Для целей водоснабжения используются ныне и межмерзлотные льды, встречающиеся на севере Сибири среди мерзлых пород в виде линз, пластов, жил (мощность тел до нескольких десятков метров).

Подмерзлотные воды, залегающие под толщей многолетней мерзлоты, имеют положительную температуру и. обладают напором. Глубина их залегания определяется в основном мощностью мерзлых пород.

Практическое значение подземных вод. Подземные воды с давних времен используются для целей водоснабжения, орошения полей и обводнения пастбищ. Об этом свидетельствуют древние глубокие (до 100 м и больше) колодцы, расположенные вдоль караванных путей в Средней Азии, и кяризы — горизонтальные подземные галереи, выводящие подземную воду на поверхность земли самотеком. Кяризы широко использовали подземную воду предгорий и в Закавказье и за пределами СССР — в Китае, Иране (Иран часто называют страной кяризов).

Термальные подземные воды стали в ряде стран мира широко использоваться для энергетического хозяйства, для отопления жилых зданий, для нужд промышленных предприятий и подогрева парников. В СССР термальные воды используются еще недостаточно, хотя возможности очень большие. Большое значение имеют подземные воды для лечебных целей. Для этого используются термальные, термоминеральные и термогазовые воды. Кроме того, подземные воды при соответствующей минерализации являются базой минерального сырья.

В настоящее время использованию грунтовых и межпластовых вод в народном хозяйстве уделяется большое внимание, в связи с чем подземные воды нашей Родины подвергаются все более широкому планомерному изучению. Детально изучаются подземные воды и в тех случаях, когда с ними предполагается вести борьбу. Последнее имеет место, например, приосвоении заболоченных и засоленных площадей, при оздоровлении местности, при проведении тоннелей, при разработке рудных и нерудных полезных ископаемых, при освоении участков, подверженных оползанию, и т. п. При проходке горных выработок приходится сталкиваться с громадными притоками подземных вод, иногда имеющих высокую температуру. Большие неудобства приходится преодолевать при встрече с так называемыми “плывунами” — тонкозернистыми породами (чаще песками), пересыщенными водой и способными перемещаться, плыть вместе с водой.

Огромна роль подземных вод при разработке нефтяных месторождений — подземные воды, подпирая нефть, обеспечивают ее фонтанирование, но при неправильной добыче нефти эти воды могут привести к обводнению и даже порче месторождения. С подземными водами приходится считаться и при гражданском строительстве, особенно в условиях многолетней мерзлоты.