Р А 3 Д Е Л 111

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Глава 12

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

Современные представления rеоэкологической науки опреде­

ляют гидросферу как одну из главных жизнеобеспечивающих гео­ сфер; гидросфера - неотьемлемая часть окружающей природной среды, неразрывно связанная с литосферой, атмосферой и био­ сферой и опосредованно - с деятельностью человека, его жизнью.

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят на­

звание подземных. Науку о подземных водах, их происхождении,

условиях залегания, законах движения, физических и химических

свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами на­ зьшают гидрогеологией.

Для строителей подземные воды в одних случаях служат источ­ ником водоснабжения, а в других выступают как фактор, затруд­ няющий строительство. Особенно сложным является производство

земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, за­

тапливающих котлованы, карьеры, траншеи, подземные горные

выработки: шахты, штольни, туннели, галереи и т.п. Подземные

воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород,

могут выступать в роли агрессивной среды по отношению к строи­

тельным материалам, вызывают растворение многих горных пород

(гипс, известняк и др.) с образованием пустот и т. д.

Строители должны изучать подземные воды и использовать

их в производственных uелях, уметь сопротивляться их негатив­

ному воздействию при строительстве и эксплуатаuии зданий и

сооружений.

Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном

движении. Испаряясь с поверхности морей, океанов и суши, она в

параобразном состоянии поступает в атмосферу: При соответству­

ющих условиях пары конденсируются и в виде атмосферных осад-

278

ков (дождь, снег) возвращаются на поверхность Земли - в мор­

ские бассейны и на сушу. Происходит круговорот воды в природе.

Круговорот воды в природе. Различают большой, малый и внут­

ренний (местный) круговорот воды. При большом круговороте ис­ паряющаяся с поверхности Мирового океана влага переносится на

сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в

океан в виде поверхностного и подземного стоков. Малый кругово­

рот характеризуется испарением влаги с поверхности океана и вы­

падением ее в виде осадков на ту же водную поверхность. В ходе

внутреннего круговорота испарившаяся с поверхности суши влага

вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Интенсивность водообмена подземных вод. В процессе кругово­

рота воды в природе происходит постоянное возобновление при­

родных вод, в том числе и подземных. Процесс смены первона­

чально накопившихся вод поступающими вновь называют

водообменом. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле еже­

годно участвует более 500 тыс. км3 воды. Наиболее активно во­

зобновляются речные воды.

Интенсивность водообмена подземных вод различна и зави­

сит от глубины их залегания. В верхней части земной коры вы­

деляют следующие вертикальные зоны:

• интенсивного водообмена (воды преимушественно пресные);

расположена в самой верхней части земной коры до глубины

300-400 м, реже более; подземные воды этой зоны дренируются

реками; в масштабе геологического времени - это воды молодые;

водообмен осуществляется за десятки и тысячи лет;

• замедленного водообмена (воды солоноватые и соленые); за­

нимает промежуточное положение и располагается до глубины

600-2000 м; обновление вод в процессе круговорота происходит в

течение сотен тысяч лет;

• весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов); приу­ рочена к глубоким зонам земной коры и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков; водообмен - в те­

чение сотен миллионов лет.

Наибольшее значение для водоснабжения имеют подземные воды, циркулирующие в зоне интенсивного водообмена. Постоян­

но пополняясь атмосферными осадками и водами поверхностных

водоемов, они, как правило, отличаются значительными запасами

и высоким качеством. Воды двух нижних зон, расположенных до

глубины 10-15 км, в процессе круговорота практически не возоб­

новляются, запасы их не пополняются.

Количественное выражение круговорота воды. Круговорот воды

в природе количественно описывается уравнением водного ба­

ланса

279

Основные расходные ( Qподз' Qпов и Qи) и приходные ( Qa.o)

статьи водного баланса зависят от природных условий, главным образом, от климата, рельефа и геологического строения района.

Изучение водного баланса отдельных районов или земного шара в целом необходимо для целенаправленного преобразова­

ния круговорота воды, в частности для увеличения запасов пре­

сных подземных вод, используемых для водоснабжения.

Происхождение подземных вод. Подземные воды в верхней ча­ сти земной коры образуются путем инфильтрации. Атмосферные

осадки, речные и другие воды под действием гравитации проса­

чиваются по крупным порам и трещинам пород. На глубине они

встречают водонепроницаемые слои горных пород. Вода задержи­

вается и заполняет пустоты пород. Так создаются горизонты под­

земных вод. Количество воды, инфильтрующейся с поверхности, определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом и фильтрующей способностью пород, климатом, расти­

тельным покровом, деятельностью человека и т. д.

Для определения величины инфильтрационного питания Qи.п

необходимо знать интенсивность инфильтрации атмосферных

осадков QинФ и испарения Qи:

В ряде случаев инфильтрационная теория не в состоянии объяснить появление подземных вод. Например, в сухих пусты­

нях, где количество осадков незначительно, вблизи поверхности

возникают водоносные горизонты. Было доказано, что в образо­

вании подземных вод принимает участие также конденсация водя­

ных паров, которые проникают в поры пород из атмосферы.

Этот путь образования подземных вод хорошо прослеживается в рыхлых породах, которые служат основанием сооружений. Вслед­

ствие того что эти породы имеют температуру ниже окружающих

пород, в них и происходит конденсация паров под фундаментом

зданий.

Воды земной коры постоянно в течение длительного геологи­

ческого времени пополняются ювенильными водами, которые воз­

никают в глубине земли за счет кислорода и водорода, выделяе­

мых магмой. Прямой выход на поверхность земли ювенильные

воды в виде паров и горячих источников имеют при вулканиче­

ской деятельности.

280

В зонах замедленного и весьма замедленного водообмена об­

разуются минерализованные (соленые) воды так называемого се­

диментационного происхождения. Эти воды возникли после обра­

зования (седиментации) древних морских осадков в начале геологической истории земной коры.

Глава 13

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы по отношению к воде характеризуются следу­

ющими показателями: влагоемкостью, водоотдачей и водопрони­

цаемостью. Показатели этих свойств используются при различ­

ных гидрогеологических расчетах.

Влагаемкость - способность породы вмещать и удерживать в

себе воду. В том случае, когда все поры заполнены водой, порода будет находиться в состоянии полного насыщения. Влажность, от­ вечающая этому состоянию, называют полной влагаемкостью Wп.в:

где п - пористость; Рек - плотность скелета породы.

Наибольшее значение Wп.в совпадает с величиной пористости

породы. По степени влагаемкости породы подразделяют на весь­ ма влагоемкие (торф, суглинки, глины), слабовлагоемкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески, лёсс) и невлагоемкие, не удерживающие в себе воду (галечник, гравий, песок).

Водоотдача W. - способность пород, насыщенных водой, от­

давать гравитационную воду в виде свободного стока. При этом считают, что физически связанная вода из пор породы не выте­

кает, поэтому принимают W. = Wп.в - Wммв·

Величина водоотдачи может быть выражена процентным от­

ношением объема свободно вытекающей из породы воды к объе­

му породы или количеством воды, вытекающей из 1 м3 породы (удельная водоотдача). Наибольшей водоотдачей обладают круп­

нообломочные породы, а также пески и супеси, в которых вели­

чина Jv,. колеблется от 25 до 43 %. Эти породы под влиянием

гравитации способны отдавать почти всю имеющуюся в их порах

воду. В глинах водоотдача близка к нулю.

Водопроницаемость - способность пород пропускать гравита­

ционную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные

породы). Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем

281