u_lectures

мирования, а, следовательно, и возможности использования подземных вод в пределах конкретных территорий.

Основой гидрогеологического районирования является выделение таксонов – гидрогеологических систем с едиными условиями формирования подземных вод, включающих области питания, распространения и разгрузки. Гидрогеологическая система (ГГС) – это совокупность геологических тел, в которых подземные воды связаны между собой и движутся по единым законам. Гидрогеологические системы имеют границы разного типа: геологические, геоморфологические, литолого-фациальные, тектонические. Границы могут быть представлены контурами урезов рек, озер; контурами, по которым водоносные породы отделяются от водоупорных; уровнем подземных вод и др.

Нижней границей гидрогеологических систем являются водоупорные породы. Верхняя внешняя граница зависит от того, какой преобладающий тип подземных вод (грунтовые или напорные) содержит ГГС.

Исходными элементами ГГС, сложенных осадочными породами, могут быть слои, горизонты, комплексы, а магматическими и метаморфическими – локальные и региональные трещиноватые зоны, разломы, простые и сложные гидрогеологические массивы.

Наиболее часто при оценке гидрогеологических условий регионов используют понятия: водоносный горизонт, водоносный комплекс, обводненная зона.

Водоносный горизонт – это обводненная, выдержанная по площади и разрезу толща горных пород, представляющая в гидродинамическом отношении единое целое. При сложном строении обводненной толщи говорят о водоносном комплексе. Разделяющие их водонепроницаемые породы (глины, плотные сланцы и т.д.) образуют водоупоры [18].

Вкристаллических породах обводнена верхняя трещиноватая часть, так называемая «зона» трещиноватости, или протяженные тектонические нарушения. Заключенные в водоносных породах подземные воды могут быть безнапорными (грунтовыми), когда они имеют свободный уровень, или напорными, если при их вскрытии уровень поднимается выше кровли водоносного горизонта.

Для выделения основных условий формирования подземных вод в гидрогеологических системах проводится районирование, в основу которого положены факторы, определяющие закономерности формирования и распределения подземных вод.

Воснове районирования лежит выделение различных типов гидрогеологических структур, базирующихся, как указывалось выше, на анализе геологического строения и выделения подземных вод по условиям их залегания.

«Основная единица» гидрогеологического районирования по возможности включает внутренние области питания, накопления и разгрузки подземных вод определенного преобладающего типа.

21

И.К. Зайцев подразделяет скопления подземных вод на два основных типа: пластовые скопления, приуроченные к слоистым осадочным толщам сравнительно слабо дислоцированные или совсем недислоцированные (поро- во-пластовые, трещинно-пластовые, карстово-пластовые) и трещинные (тре- щинно-жильные скопления), приуроченные к изверженным, метаморфическим и сильно метаморфизованным дислоцированным породам разного генезиса.

Пластовые скопления подземных вод преобладают в пределах платформ, предгорных равнин и передовых прогибов, в межгорных и внутригорных впадинах.

Структуры, для которых характерно преимущественное развитие напорных пластовых вод, представляют собой артезианские бассейны (рис. 3). В пределах артезианского бассейна выделяют грунтовые воды, межпластовые безнапорные, межпластовые напорные – это воды чехла, трещинные напорные и трещинно-жильные воды.

Рис. 3. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины:

1 – песок; 2 – песок водоносный; 3 – супеси; 4 – глины; 5 – известняки; 6 – уровень верховодки; 7 – уровень грунтовых вод; 8 – уровень межпластовых ненапорных вод; 9 – уровень артезианских вод; 10 – источники; 11 – направления движения безнапорных подземных вод; 12 – разгрузка артезианских вод в речной аллювий

Для артезианских бассейнов характерна гидрогеологическая зональность и смена условий водообмена с глубиной. В приповерхностной верхней части разреза артезианских бассейнов располагается верхняя гидродинамическая зона скоплений подземных вод, в основном грунтовых и межпластовых безнапорных. Это зона свободного водообмена, имеющая непосредственную

22

связь с наземной гидросферой (реки, озера, моря и др.) и с атмосферными водами. Глубина этой зоны достигает 300-500 м. Для нее характерны самые высокие скорости движения. Возобновление ресурсов здесь происходит в течение столетий.

Ниже располагаются межпластовые скопления напорных подземных вод, приуроченные к зоне затрудненного водообмена. Они имеют ограниченную связь с гидросферой и атмосферой через зону свободного водообмена, преимущественно в краевых частях бассейнов, по долинам рек и в озерных котловинах, где водоносные горизонты вскрыты, выхолят на поверхность или прикрыты рыхлыми четвертичными отложениями небольшой мощности. Скорости движения вод подавлены, связь с поверхностными водами затруднена. Темп водообмена составляет десятки и сотни тысяч лет.

Глубже (1,5-2 км) располагается зона весьма затрудненного водообмена. Подземные воды этой зоны имеют связь с водами вышележащих зон на отдельных участках.

В размещении гидродинамических зон артезианских бассейнов главная роль принадлежит геологическому строению и важная роль по соподчинению

– рельефу.

Второй тип вод типичен для горно-складчатых областей. Структуры, для которых характерно преобладание различных трещинных вод, представляют собой гидрогеологические массивы. В геоструктурном отношении это антеклизы (на платформах), а в геосинклинальных складчатых областях - антиклинальные структуры, усложненные мелкой складчатостью. В геоморфологическом отношении это возвышенности на равнине, горные сооружения, горные массивы и т.п.

Основное условие выделения массивов состоит в том, что водопроницаемость определяется трещиноватостью, а первоначальная слоистость существенно утрачивает свое гидрогеологическое значение.

Ведущая роль в формировании подземных вод принадлежит рельефу, которому подчинено геологическое строение.

Верхняя гидродинамическая зона имеет существенное развитие и большую мощность. Нижняя граница этой зоны находится несколько ниже тальвега речных долин. Для вод этой зоны характерно нисходящее вертикальное и горизонтальное движения.

Ниже располагается зона затрудненного водообмена. В древних массивах иногда встречаются солоноватые воды и рассолы различного происхождения, по омоложенным разломам поднимаются минеральные и термальные воды. Общее движение – центробежное от центральных наиболее возвышенных участков к периферии.

При гидрогеологическом районировании в зависимости от его содержания и масштаба обычно используется ряд следующих таксономических единиц: участок, район, область, провинция и т.д.

23

1.3.2. Классификация подземных вод по условиям залегания

По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:

1.почвенные воды;

2.верховодка;

3.грунтовые и артезианские воды;

4.трещинные и карстовые воды;

5.подземные воды в многолетнемерзлых породах;

6.минеральные, промышленные и термальные воды.

Почвенные воды. К почвенным водам относятся гравитационные воды в почвенном слое, которые образуются в результате проникновения атмосферных осадков и конденсации водяного пара. Наличие значительного количества почвенной воды указывает на избыточное увлажнение, приводящее к заболачиванию.

Питание почвенных вод происходит как сверху, так и снизу – путем перехода в свободное состояние капиллярно-подвешенной воды, особенно в случае неглубокого залегания грунтовых вод.

Верховодка образуется в зоне аэрации, инфильтрационная вода встречает на своем пути водоупор среди водопроницаемых пород. Водоупорным ложем могут быть линзы глин или суглинков в толще песков, участки коры выветривания на скальных породах, мерзлые толщи (рис. 4).

Верховодка отличается сезонным характером и локальным невыдержанным по площади развитием. С грунтовыми или речными водами она обычно не имеет гидравлической связи. Мощность верховодки чаще всего равна 0,4–1,0 м, редко 2–5 м.

На формирование верховодки сильно влияет характер рельефа. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах и в степных пространствах с местными понижениями, куда стекает дождевая влага, и задерживаются талые воды.

Режим верховодки зависит от климатических условий. Эти воды легко загрязняются. В естественных условиях верховодки различны. В районах избыточного увлажнения она слабо минерализована, характеризуется относительно высоким содержанием органических веществ. При аридном климате образуются соленые воды и рассолы.

Грунтовые и артезианские воды. Под грунтовыми водами понима-

ют свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли, изменяющегося во времени, но постоянно существующего водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или в верхней трещиноватой части коренных пород и залегающего на первом от поверхности выдержанном водоупоре [3].

24

Рис. 4. Характер перемещения воды в верхней части земной коры:

1 – почва с почвенными и капиллярно-подвешенными водами; 2 – песчано-гравийные отложения; 3 – обводненные породы; 4 – водоупорные породы; 5 – капиллярная кайма; 6 – уровень подземных вод; 7 – направление движения инфильтрующихся вод; 8 – направление фильтрации подземных вод.

Поверхность грунтовых вод свободна. При вскрытии грунтовых вод буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той же глубине, где они были встречены. Поверхность грунтовых вод именуется зеркалом.

В зависимости от геоморфологических условий геологического строения грунтовые воды движутся в сторону ближайшего понижения, образуя грунтовый поток (рис. 5а). Участки с горизонтальной поверхностью носят названия бассейнов грунтовых вод (рис. 5б).

Рис. 5. Формы залегания грунтовых вод:

а – грунтовый поток; б – грунтовый бассейн; 1 – песок; 2 – водоносный песок; 3 – водоупор

Бассейны грунтовых вод образуются в понижениях водоупорного основания, когда инфильтрующиеся осадки не в состоянии переполнить этот бас-

25

сейн. В природных условиях часто встречается сочетание потоков и бассейнов грунтовых вод.

Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

Сравнительно неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности водоупорном пласте, связь с поверхностными метеорными водами определяют следующие особенности:

1.Грунтовые воды безнапорные, имеют свободную поверхность с давлением на ней, равным атмосферному и передвигаются под действием силы тяжести в направлении уклона их зеркала.

2.Питание осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации, область питания совпадает с областью распространения.

3.Разгрузка происходит у основания склонов или в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь.

4.В зависимости от климатических условий уровень, расход, температура и другие параметры водоносного горизонта подвержены сильным колебаниям во времени.

Гидроизогипсы – это линии, которые соединяют точки с одинаковыми отметками уровня грунтовых вод. Карты гидроизогипс строятся по данным одновременных замеров уровня грунтовых вод в скважинах, колодцах, шурфах. По карте гидроизогипс можно определить направление движения и величину уклона грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и его соотношение с рельефом поверхности. При наличии стратоизогипс поверхности водоупорного ложа можно определить мощность водоносного горизонта на любом участке [18]. Важно отметить, что существует четкая зависимость уклона зеркала грунтовых вод от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Глубина уровня грунтовых вод часто зависит от рельефа местности.

Между грунтовыми и речными водами существует гидравлическая связь (рис. 6).

По характеру залегания, особенностям распространения, питания и режима различают грунтовые воды междуречий и водораздельных пространств, речных долин, конусов выноса и предгорных шлейфов и морских побережий. Каждому из этих типов соответствуют свои условия распространения и формирования.

Влияние климата и всего комплекса гидрогеологических закономерностей отражает минерализация и ионно-солевой состав грунтовых вод. В связи

сэтим Г.Н Каменский выделяет две крупные зоны, отвечающие двум генетическим типам грунтовых вод – выщелачивания и континентального засоления. Первый тип вод характерен для областей с избыточным увлажнением. Минерализация увеличивается с севера на юг. Воды преимущественно гидро-

26

карбонатного типа с сухим остатком 300–500 мг/л и общей жесткостью 4–5 мг-экв/л.

Рис. 6. Соотношение между грунтовыми и речными водами:

а – река дренирует горизонт грунтовых вод; б – река питает грунтовые воды; в – река дренирует горизонт грунтовых вод на одном берегу и питает на другом.

Воды континентального засоления характерны для территорий сухих степей, полупустынь, где испарение преобладает над количеством выпадающих осадков. Встречаются воды от слабосоленых до соленых. По химическому составу они относятся к сульфатному и сульфатно-хлоридному типам.

Основным видом питания грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков. В пустынных районах грунтовые воды могут получать конденсационное питание. Местами грунтовые воды получают питание за счет подтока напорных вод нижележащих горизонтов.

Разгрузка (дренирование) горизонта грунтовых вод происходит в виде родников, пластовых высачиваний и других водопроявлений на поверхности земли.

Артезианскими считаются подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами, обладающие гидростатическим напором, который обуславливает подъем уровня воды над кровлей при вскрытии скважинами или другого вида выработками.

Для артезианских вод характерны следующие особенности:

1.Это межпластовые напорные воды, горизонты и комплексы которых изолированы сверху и снизу водоупорами;

2.Области питания, создания напора и распределения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния;

3.При вскрытии артезианского водоносного горизонта появление воды

вскважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем;

4.Режим в незначительной степени подвержен влиянию поверхностных факторов;

5.В верхней части разреза воды пресные, с глубиной их минерализация возрастает, они становятся солеными или даже рассолами.

27

Совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных структурах, образуют артезианский бассейн (рис. 7). В каждом артезианском бассейне принято выделить три области:

1.современного питания и создания напора;

2.разгрузки;

3.распространения напора.

Рис. 7. Схема строения артезианского бассейна (по А.М. Овчинникову):

а - область питания; б – область напора; в – область распространения; 1 – водоносные породы; 2 – водоупорные породы; 3 – пьезометрический уровень Н1 и Н2 – пьезометрические напоры; m – мощность водоносного горизонта.

Область современного питания и создания напора – это площади вы-

хода на дневную поверхность водоносных пород, слагающих артезианский бассейн. Выделяют внешнюю и внутреннюю области питания.

К внешней области питания относятся прилегающие к артезианскому бассейну части площадей горно-складчатых сооружений или поднятий, с которых стекают атмосферные воды и по достижению водоносных пород частично ими поглощаются. Например, для Минусинского межгорного прогиба внешней областью питания являются отроги Кузнецкого Алатау, Восточного и Западного Саян.

Внутренней областью питания являются площади, расположенные в пределах самого артезианского бассейна, где осуществляется инфильтрация атмосферных осадков.

Внутренние области питания связаны преимущественно с поднятиями и антиклинальными структурами в предгорных районах и межгорных впадинах, в пределах которых артезианские водоносные горизонты выходят на поверхность или залегают неглубоко, под более молодыми, как правило, рыхлыми отложениями.

Питание некоторых водоносных горизонтов осуществляется путем перетока вод из одного водоносного горизонта в другой. В зависимости от соотношения напоров переток может происходить как из верхнего горизонта в нижний, так и наоборот.

Артезианские воды могут быть гидравлически связаны с грунтовыми водами на участках, где размыты кроющие водонепроницаемые пласты или же в результате их фациального изменения (рис. 8).

28

Рис. 8. Схема гидравлической связи грунтовых вод с артезианскими:

I – положение уровня подземных вод над участком размыва при питании грунтовых вод артезианскими; II – то же, но при перетоке грунтовых вод в артезианские; 1 – водоносные породы; 2 – водоупорные породы

Причины создания напора могут быть различными. Помимо гидростатических давлений на создание напора оказывает действие геостатическая нагрузка, тектонические напряжения, изменение пористости пород.

Область разгрузки – это участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой совокупность открытых (восходящие родники) и скрытых очагов в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей.

Области разгрузки бывают современные и древние. Современные делятся на естественные и искусственные. К открытым современным очагам относятся эрозионные очаги разгрузки в долинах рек, в бессточных впадинах в пустынных районах, барьерные при наличии препятствий на пути движения подземных вод и структурно-тектонические.

Скрытые очаги разгрузки подразделяются на внешние и внутренние. Внешние очаги стока – это разгрузка в русла рек, под аллювиальными отложениями, на дне морей. Например, в Аральское море разгружается 176 м3/сут

(5,5 км3/год).

К скрытым внешним очагам разгрузки А.М. Овчинников относит рассредоточенную разгрузку подземных вод через водоупорные толщи.

Скрытые внутренние очаги разгрузки широко распространены в зоне насыщения подземной гидросферы и чаще обнаруживаются в местах несогласного залегания свит, на участках «фациальных окон», зонах разломов, перекрытых осадочными породами, в осевых частях антиклиналей, куполов и поднятий, не проявляющихся на поверхности Земли.

29

Искусственными очагами разгрузки являются водозаборы подземных вод, при длительной эксплуатации которых в некоторых водоносных горизонтах создаются понижения статических уровней на 80–120 м.

Древние очаги разгрузки фиксируются как месторождения некоторых видов полезных ископаемых: нефти газа, серы, рудные месторождения. Установить их можно в результате анализа истории геологического развития артезианских бассейнов и прилегающих территорий.

Область распространения напора – это основная площадь развития ар-

тезианских бассейнов, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические уровни подземных вод. Уровень напорных вод называется пьезометрическим и всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Он является реальным только в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. На участках отсутствия скважин пьезометрический уровень устанавливается методом интерполяции.

Характер пьезометрической поверхности на картах изображается в виде пьезоизогипс (гидроизопьез) – линий, соединяющих точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Карты гидроизопьз обязательно сопровождаются гидрогеологическими разрезами, на которых показывают стратиграфические границы, литологические особенности пород в виде колонок у стволов скважин, водоупорные толщи, напоры и абсолютные отметки пьезометрических уровней, водопроницаемость пород. По карте гидроизопьез можно определить области питания (по максимальным отметкам) и области разгрузки (по минимальным отметкам), направление движения артезианского потока, пьезометрический уклон, глубину установившегося уровня. По сгущению и разряжению гидроизопьез можно вынести суждение об изменении мощности водоносного горизонта или водопроницаемости пород. Сгущение гидроизопьез обычно свидетельствует об уменьшении мощности и ширины потока или об уменьшении водопроницаемости пород [3]. При наличии на карте пьезоизогипс отметок кровли водоносного горизонта в любой точки можно определить величину напора над кровлей горизонта.

Проявление упругого режима происходит под влиянием изменения атмосферного давления и уровня грунтовых вод в области питания, морские приливы и отливы, землетрясения, пуск скважин в эксплуатацию, непостоянство режима их работы, изменение внешней нагрузки на кровлю водоносных горизонтов.

Процесс изменения ресурсов артезианских вод под влиянием естественных и искусственных факторов изучен слабо.

Под естественными запасами понимают массу (для пресной воды – объем) гравитационной воды в водоносном горизонте в естественных условиях. В естественные запасы входит и часть воды, которая может быть извлечена из артезианского водоносного горизонта за счет упругого режима. Последние называют упругими запасами.

30